城市轨道交通车辆电气运行与维修项目3电源设备

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1、任务1牵引逆变器(VVVF)设备任务目标在该任务中，主要掌握逆变器的工作原理、逆变器设备的结构工作过程，并掌握这些设备常出现的故障现象及处理方法。项目3电源设备1任务重点在高压设备中，逆变器是列车运行最为关键的设备，因此逆变工作原理就是本任务中应该重点掌握的知识。知识准备高等数学基础、电子电路基础。知识描述逆变器是动力电源和辅助电源的主要部件。其主要功能是将DC1500直流电源变换成三相交流电源，以供牵引电机用电和其他用电。在变换过程中，逆变调整三相交流电的频率和电压，从而使牵引电机变换转动速度，达到控制列车速度的作用。这里首先了解绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。2(1

2、)绝缘栅双极型晶体管20世纪80年代中期出现了将它们的通、断机制相结合的新一代半导体电力开关器件——绝缘栅极双极型晶体管(InsulatedGateBipo-LarTransistor，IGBT)，如图3.1所示。它是一种复合器件，其输入控制部分为MOSFET，输出级为双级结型三极晶体管；因此兼有MOSFET和电力晶体管的优点，即高输入阻抗，电压控制，驱动功率小，开关速度快，工作频率可达到10～40kHz(比电力三极管高)，饱和压降低(比MOSFET小得多，与电力三极管相当)，电压、电流容量较大，安全工作区域宽。目前2500～3000V、800～1800A的IGBT器件

3、已有产品，可供几千千伏安以下的高频电力电子装置选用。3图3.1绝缘栅双极型晶体管IGBT也有3个电极：栅极G、发射极E和集电极C。输入部分是一个MOSFET管。1)MOS场效应管结构MOS场效应管也被称为MOSFET，即MetalOxideSemiconductorFieldEffect场效应管，主要用于控制电流大小的导体元件。它分为两大类：即绝缘栅型和结型。4绝缘栅型场效应管可分为增强型和耗尽型两种：增强型→N沟道、P沟道；耗尽型→N沟道、P沟道。N沟道增强型MOS管：图3.2为N沟道增强型MOS管，其结构有4个电极：漏极D、源极S、栅极G和衬底B。元件材料由半导体P

4、型和N型材料组成。5图3.2N沟道增强型MOS管P沟道增强型MOS管如图3.3所示。6图3.3P沟道增强型MOS管73.4)，从而形成电流，使源极和漏极之间导通。我们也可以想象为两个N型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁，该桥的大小由栅压的大小决定。2)MOS场效应管工作原理对于场效应管(见图3.4)，在栅极无电压时，由分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处于截止状态。当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两

5、个N沟道之间的P型半导体中(见图因此，栅级电压越高，源级与漏级之间的电流也越大。8图3.4MOS场效应管9供给，使得晶体管截止。3)IGBT组合元件特性IGBT的等效电路如图3.5所示。由图可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的10图3.5IGBT等效电路图由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：A.IGBT栅极与发射极之间的电压；B.IGBT集电极与发射极之间的电压；C.流过I

6、GBT集电极２发射极的电流；D.IGBT的结温。如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极２发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极２发射极之间的耐压，流过IG２BT集电极２发射极的电流超过集电极２发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。11的等效电阻RDS)。输出部分为一个PNP三极管T1，此外还有一个内部寄生的三极管T2(NPN管)，在NPN晶体管T2的基极与发射极之间有一个体区电阻Rbr。图3.6(b)中Rd

7、r表示MOSFET的等效调制电阻(即漏极２源极之间12①静态特性。1314图3.6IGBT的静态特性图15②动态特性。16图3.7IGBT的开通与关断过程17开通过程中，在td，tr时间内，栅２射极间电容在外施正电压作用下充电，且按指数规律上升，在tfu1，tfu2这一时间段内MOSFET开通，流过对GTR的驱动电流，栅２射极电压基本维持IGBT完全导通后驱动过程结束。栅２射极电压再次按指数规律上升到外施栅极电压值。IGBT关断时，在外施栅极反向电压作用下，MOSFET输入电容放电，内部PNP晶体管仍然导通，在最初阶段里，关断的延迟时间t