华东交通大学动车组牵引技术第6章牵引变流器
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第6章 牵引变流器
第一节 电力电子元件
第6章 牵引变流器
第6章 牵引变流器
一、电力电子器件的分类
按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：
半控型器件（Thyristor）
——通过控制信号可以控制其导通而不 能控制其关断。 全控型器件（IGBT,MOSFET)
——通过控制信号既可控制其导通又可 控制其关断，又称自来自百度文库断器件。 不可控器件(Power Diode)
第6章 牵引变流器
电力MOSFET特点： 1、开关时间在10~100ns之间，工作频率可
达100KHZ，是主要电力电子器件中最高的。 2、场控器件，静态时几乎不需要输入电流，
只是开关过程中需要一定的功率，开关频率 越高，驱动功率越大。
第6章 牵引变流器
四、 绝缘栅双极晶体管
GTR（巨型晶体管，工作原理与三极管类似）的特点——双极型，电流驱 动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动 电路复杂。
——不能用控制信号来控制其通断, 因此 也就不需要驱动电路。
第6章 牵引变流器
按照驱动电路信号的性质，分为两类：
电流驱动型
——通过从器件的控制端注入或者抽出电流来实
现导通或者 关断的控制。
电压驱动型
——仅通过在器件的控制端和公共端之间施加一
定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。
第6章 牵引变流器
注：此处电流分配系数α是指集电极电流 与发射极电流的比值。（此值在管子处于 放大区时基本固定，不在放大区则会变化 ）
第6章 牵引变流器
2 晶闸管的基本特性
晶闸管正常工作时的特性总结如下： 承受反向电压时，不论门极是否有触发电 流，晶闸管都不会导通。 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的 情况下晶闸管才能开通。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降 到接近于零的某一数值以下 。
第6章 牵引变流器
电力MOSFET的驱动电路:
电力MOSFET是电压驱动型器件。 为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。 使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V，使IGBT开
通的驱动电压一般15 ~ 20V。 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 ~ -15V）
有利于减小关断时间和关断损耗。 在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。
二、晶闸管(thyristor)
晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量 的场合具有重要地位。
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
第6章 牵引变流器
晶闸管的结构 可以看成是三 端四层半导体 开关器件，共 有3个PN结， J1、J2和J3， 如图所示。
第6章 牵引变流器
当A、K两端加正电压时 （A接正，K接负），J1、 J3结为正偏置，中间结 为反偏置。晶闸管未导 通时，加正压时的外加 电压由反偏置的J2结承 担，而加反压时的外加 电压则由J1、J3结承担。
第6章 牵引变流器
如果晶闸管接入如图（b）所 示外电路，外电源EA正端经 负载电阻R引至晶闸管阳极A， 电源的负端接晶闸管阴极K， 一个正值触发控制电压EG经 电阻Rs后接至晶闸管的门极 G，如果T1（P1N1P2）的集 电极电流分配系数为α1，T2 （N1P2N2）的集电极电流 分配系数为α2，
1-5
第6章 牵引变流器
（a）螺栓形； （b）平板形；
（c）晶闸管符号；
外形有螺栓型和平板型两种封装。（螺栓形一般自然冷却，平板型可 以水冷，功率较大）
有三个连接端。
螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密 联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将 其夹在中间。
第6章 牵引变流器
G：栅极 D：漏极 S：源极
第6章 牵引变流器
S
电力MOSFET的结构
D
D
G
N+ P N+
N+ P N+
沟道
N-
G
G
N+
S
S
D
N沟道
P沟道
图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号
a)
b)
是单极型晶体管。
导电机理与小功率MOS管相图同1-1，9 但结构上有较大区别。
采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。
MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳 定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。
绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor—— IGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。 1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。
第6章 牵引变流器
三、电力MOSFET的结构和工作原理
电力MOSFET的种类
按导电沟道可分为P沟道和N沟道。 耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间 就存在导电沟道。 增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电 压大于（小于）零时才存在导电沟道。 电力MOSFET主要是N沟道增强型。
第6章 牵引变流器
第6章 牵引变流器
若把晶闸管看成由 两个三极管T1 （P1N1P2）和T2 （N1P2N2）构成，
则其等值电路可表
示成两个三极管。 对三极管来T1说， P1N1为发射结J1， N1P2为集电结J2； 对于三极管T2， P2N2为发射结J3， N1P2仍为集电结 J2；因此J2 （N1P2）为公共 的集电结。
第6章 牵引变流器
电力MOSFET的工作原理（N沟道增强型VDMOS）
截止：漏源极间加正电源（D高S低），栅源 极间电压为零。
– P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间 无电流流过。
第6章 牵引变流器
导电：在栅源极间加正电压UGS
栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会 将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子——电子吸引到 栅栅极极下下面P区的表P区面表的面电。子当浓度UG将S大超于过U空T（穴开浓启度电，压使或P型阈半值导电体压反）型时， 成极N和型源而极成导为电反。型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏
第一节 电力电子元件
第6章 牵引变流器
第6章 牵引变流器
一、电力电子器件的分类
按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：
半控型器件（Thyristor）
——通过控制信号可以控制其导通而不 能控制其关断。 全控型器件（IGBT,MOSFET)
——通过控制信号既可控制其导通又可 控制其关断，又称自来自百度文库断器件。 不可控器件(Power Diode)
第6章 牵引变流器
电力MOSFET特点： 1、开关时间在10~100ns之间，工作频率可
达100KHZ，是主要电力电子器件中最高的。 2、场控器件，静态时几乎不需要输入电流，
只是开关过程中需要一定的功率，开关频率 越高，驱动功率越大。
第6章 牵引变流器
四、 绝缘栅双极晶体管
GTR（巨型晶体管，工作原理与三极管类似）的特点——双极型，电流驱 动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动 电路复杂。
——不能用控制信号来控制其通断, 因此 也就不需要驱动电路。
第6章 牵引变流器
按照驱动电路信号的性质，分为两类：
电流驱动型
——通过从器件的控制端注入或者抽出电流来实
现导通或者 关断的控制。
电压驱动型
——仅通过在器件的控制端和公共端之间施加一
定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。
第6章 牵引变流器
注：此处电流分配系数α是指集电极电流 与发射极电流的比值。（此值在管子处于 放大区时基本固定，不在放大区则会变化 ）
第6章 牵引变流器
2 晶闸管的基本特性
晶闸管正常工作时的特性总结如下： 承受反向电压时，不论门极是否有触发电 流，晶闸管都不会导通。 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的 情况下晶闸管才能开通。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降 到接近于零的某一数值以下 。
第6章 牵引变流器
电力MOSFET的驱动电路:
电力MOSFET是电压驱动型器件。 为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。 使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V，使IGBT开
通的驱动电压一般15 ~ 20V。 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 ~ -15V）
有利于减小关断时间和关断损耗。 在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。
二、晶闸管(thyristor)
晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量 的场合具有重要地位。
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
第6章 牵引变流器
晶闸管的结构 可以看成是三 端四层半导体 开关器件，共 有3个PN结， J1、J2和J3， 如图所示。
第6章 牵引变流器
当A、K两端加正电压时 （A接正，K接负），J1、 J3结为正偏置，中间结 为反偏置。晶闸管未导 通时，加正压时的外加 电压由反偏置的J2结承 担，而加反压时的外加 电压则由J1、J3结承担。
第6章 牵引变流器
如果晶闸管接入如图（b）所 示外电路，外电源EA正端经 负载电阻R引至晶闸管阳极A， 电源的负端接晶闸管阴极K， 一个正值触发控制电压EG经 电阻Rs后接至晶闸管的门极 G，如果T1（P1N1P2）的集 电极电流分配系数为α1，T2 （N1P2N2）的集电极电流 分配系数为α2，
1-5
第6章 牵引变流器
（a）螺栓形； （b）平板形；
（c）晶闸管符号；
外形有螺栓型和平板型两种封装。（螺栓形一般自然冷却，平板型可 以水冷，功率较大）
有三个连接端。
螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密 联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将 其夹在中间。
第6章 牵引变流器
G：栅极 D：漏极 S：源极
第6章 牵引变流器
S
电力MOSFET的结构
D
D
G
N+ P N+
N+ P N+
沟道
N-
G
G
N+
S
S
D
N沟道
P沟道
图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号
a)
b)
是单极型晶体管。
导电机理与小功率MOS管相图同1-1，9 但结构上有较大区别。
采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。
MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳 定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。
绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor—— IGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。 1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。
第6章 牵引变流器
三、电力MOSFET的结构和工作原理
电力MOSFET的种类
按导电沟道可分为P沟道和N沟道。 耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间 就存在导电沟道。 增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电 压大于（小于）零时才存在导电沟道。 电力MOSFET主要是N沟道增强型。
第6章 牵引变流器
第6章 牵引变流器
若把晶闸管看成由 两个三极管T1 （P1N1P2）和T2 （N1P2N2）构成，
则其等值电路可表
示成两个三极管。 对三极管来T1说， P1N1为发射结J1， N1P2为集电结J2； 对于三极管T2， P2N2为发射结J3， N1P2仍为集电结 J2；因此J2 （N1P2）为公共 的集电结。
第6章 牵引变流器
电力MOSFET的工作原理（N沟道增强型VDMOS）
截止：漏源极间加正电源（D高S低），栅源 极间电压为零。
– P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间 无电流流过。
第6章 牵引变流器
导电：在栅源极间加正电压UGS
栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会 将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子——电子吸引到 栅栅极极下下面P区的表P区面表的面电。子当浓度UG将S大超于过U空T（穴开浓启度电，压使或P型阈半值导电体压反）型时， 成极N和型源而极成导为电反。型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏