电力电子器件及其应用(第三章)

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1、第三章电力电子器件及其应用王俭朴车辆工程系城市轨道车辆教研室1第三章电力电子器件及其应用主要内容可关断晶闸管(GTO)绝缘栅双极晶体管(IGBT)智能功率模块功率(IPM)电力电子器件对轨道交通变流技术的影响2第一节可关断晶闸管(GTO)GTO的特点GTO逆变器的体积比晶闸管逆变器的体积减小40%以上，重量也大为减轻。由于GTO逆变器不需要强迫换流电路，而使电路的损耗减少了64％左右。这些优点对重量、体积和效率都有严格要求的车辆电力牵引系统是十分重要的。GTO与SCR的重要区别是：SCR等效电路中两只晶体管的放大系数比1大得较多，通过导通时两只等效晶体管的正反馈作用，

2、使SCR导通时的饱和较深，因此无法用门极负信号去关断阳极电流；GTO则不同，总的放大系数仅稍大于1而近似等于1，因而处于临界导通或浅饱和状态。3第一节可关断晶闸管(GTO)GTO的工作原理GTO对门极触发脉冲的要求和SCR的要求相似，但它对关断脉冲的要求很高，容易在关断过程中损坏GTO器件，因此门极控制电路比较复杂。此外GTO的饱和度较浅，所以管压降也比SCR大，为保护管子而设置的电路(缓冲电路)中的损耗也较大。由于二只晶体管的电流放大倍数仅稍大于1，且比小得多，因此集电极电流占总阳极电流的比例较小，只要设法抽走这部分电流，即可使GTO关断。图3-1晶闸管和GTO的工作

3、原理4第一节可关断晶闸管(GTO)把GTO接入电阻负载电路，在门极加上正的触发脉冲和足够大的负脉冲时，GTO就能导通和关断，GTO的符号及电路如图3-2(a)所示，波形如图3-2(b)所示。图3-2GTO的符号、电路与波形(a)符号与触发电路(b)门极和阳极电流波形5第一节可关断晶闸管(GTO)GTO的关断电路和关断过程中的电压、电流波形图(a)GTO的关断电路(b)关断时的波形6第一节可关断晶闸管(GTO)GTO的主要特性阳极伏安特性逆阻型GTO的阳极伏安特性。由图可知，它与SCR的伏安特性很近似，当外加电压超过正向转折电压时，GTO即正向开通，这种现象与SCR及其家

4、族基本相同，称为电压触发。此时不一定会使元件损坏，但是外加电压超过反向击穿电压之后，会发生雪崩击穿现象，由此损坏器件。非逆阻型GTO则不能承受反向电压。GTO的耐压性能受多种因素的影响，其中结温的影响较大。随着结温的升高，GTO的耐压会下降，如图所示。7第一节可关断晶闸管(GTO)GTO的主要特性通态压降特性GTO的通态压降特性是其伏安特性的一部分，如图所示。由图可见随着阳极通态电流的增加，其通态压降增加，即GTO的通态损耗也增加。GTO的开通特性元件从断态到通态的过程中，电流、电压及功耗随时间变化的规律为元件的开通特性，一个动态过程。GTO的开通特性如图所示。开通时间

5、由延迟时间和上升时间组成。开通时间取决于元件的特性、门极电流上升率以及门极触发电流幅值的大小等因素。8第一节可关断晶闸管(GTO)GTO的主要特性GTO的关断特性GTO关断过程中的阳极电压、阳极电流和功耗与时间的关系是GTO的关断特性;关断过程中的存贮时间与下降时间两者之和称为关断时间；也有些文献与元件生产工厂定义关断时间为存贮时间、下降时间，还有时间上长达几十的尾部时间三者之和。9第一节可关断晶闸管(GTO)GTO的主要参数可关断峰值电流一般可关断峰值电流是有效值电流的2～3倍；GTO的阳极电流允许值受两方面因素的限制：一个是受热学上的限制；另一个是受电学上的限制。关

6、断时的阳极尖峰电压尖峰电压是感性负载电路中阳极电流在时间内的电流变化率与GTO缓冲保护电路的电感的乘积。阳极电压上升率静态电压上升率是指GTO还没有导通时所能承受的最大断态电压上升率。动态电压上升率是指GTO关断过程中的阳极电压上升率。阳极电流上升率10第一节可关断晶闸管(GTO)可关断晶闸管(GTO)的门控电路GTO关断过程的机理及其波形对大功率电力电子元件正向特性的要求是通态电流大，通态电压低，因此在通态下就必须使元件具有足够多的载流子存贮量，这就给元件的关断带来了特殊困难。GTO门控电路的基本要求就是从门极排出P2基区中(见图3-3(a))过剩的载流子(空穴)，这

7、就是说必须在门极加上足够大的反向电压，使P2基区中过剩的空穴通过门极流出，与此同时电子通过P2基区与N2发射极间的J3结从阴极排出。随着电子和空穴的排出，在P2基区和J3结的地方形成逐渐向中心区扩大的耗尽层，如图3-10所示。11第一节可关断晶闸管(GTO)GTO关断过程的机理图其结果是从N2发射极没有电子向P2区注入，在P2基区及N2基区中的过剩载流子一直复合到消失为止，如J3结能维持反偏状态，GTO就被关断。由此可见，关断GTO的前提是门控电路要有足够大的关断电流，以便从门极排出足够大的门极关断电荷，同时其关断功率又不能超过允许值。图