无轨电车技术

第六节无轨电车技术

6-1无轨电车基础知识

一、二极管的特性与参数

1. 二极管结构

P型半导体或N型半导体都不能单独使用，必须结合起来才能使用。如果在PN结的两端接入电极，就构成了二极管。N型半导体一侧的电极称为阴极，P型半导体一侧的电极称为阳极，二极管的符号如图

阳极（+）阴极（-）

2. 二极管的导电特性

二极管最重要的特性就是单方向导电特性。在电路中,电流只能从二极管的正极（+）流入,负极（—）流出。

2.1 正向特性

在电子电路中,将二极管的正极接在高电位端,负极接在低电位端,二极管就会导通,这种连接方式,称为正向偏置。必须说明,当加在二极管两端的正向电压很小时,二极管仍然不能导通,流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”,锗管约为0.2V,硅管约为0.6V）以后,二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V,硅管约为0.7V）,称为二极管的“正向压降”。

2.2 反向特性

在电子电路中,二极管的正极接在低电位端,负极接在高电位端,此时二极管中几乎没有电流流过,此时二极管处于截止状态,这种连接方式,称为反向偏置。二极管处于反向偏置时,仍然会有微弱的反向电流流过二极管,称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值,反向电流会急剧增大,二极管将失去单方向导电特性,这种状态称为二极管的击穿。

2.3 二极管的主要参数

用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标,称为二极管的参数。不同类型的二极管有不同的特性参数。

现介绍一下几个主要参数：

⑴额定正向工作电流

是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热,温度上升,温度超过容许限度（硅管为140℃左右,锗管为90℃左右）时,就会使管芯过热而损坏。所以,二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。例如,常用的IN4001－4007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。

⑵最高反向工作电压

加在二极管两端的反向电压高到一定值时,会将管子击穿,失去单向导电能力。为了保证使用安全,规定了最高反向工作电压值。例如,IN4001二极管反向耐压为50V,IN4007反

向耐压为1000V。

⑶反向电流

反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下,流过二极管的反向电流。反向电流越小,管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系,大约温度每升高10℃,反向电流增大一倍。

二、可控硅的特性及鉴别方法

1. 可控硅的特性

可控硅是可控硅整流器的简称。它是由三个PN结四层结构硅芯片和三个电极组成的半导体器件。图1-5是它的结

可控硅的三个电极分别叫阳极(A)、阴极(K)和控制极(G)。当器件的阳极接负电位（相对阴极而言）时，从符号图上可以看出PN结处于反向，具有类似二极管的反向特性。当器件的阳极上加正电位时（若控制极不接任何电压），在

一定的电压范围内，器件仍处于阻抗很高的关闭状态。但当正电压大于某个电压（称为转折电压）时，器件迅速转变到低阻通导状态。加在可控硅阳极和阴极间的电压低于转折电压时，器件处于关闭状态。此时如果在控制极上加有适当大小的正电压（对阴极），则可控硅可迅速被激发而变为导通状态。可控硅一旦导通，控制极便失去其控制作用。就是说，导通后撤去栅极电压可控硅仍导通，只有使器件中的电流减到低于某个数值或阴极与阳极之间电压减小到零或加上反向电压才能使它关断。用后一种办法可以使关断速度较快。

2. 可控硅三个极的鉴别方法

根据PN结的原理，只要用万用表测量一下三个极之间的阻值即可。阳极和阴极之间正向与反向电阻都在几百K以上。阳极与控制极之间的正向与反向电阻也在几百K以上，只有控制极与阴极之间是一个PN结，因此存在着正反向电阻。一般，它的正向电阻大约在几欧到几百欧的范围内，反向电阻要比正向电阻来的大。可是，控制极的二极管特性不太理想，反向不是完全呈阻断状态，可以有比较大的电流流过。

因此，有时测得控制极反向电阻比较小。并不能说明控制极特性不好。此外，在测量控制极正反向电阻时，万用表应放在R×10或R×1档。

若测得元件正反向已短路；或阳极与控制极已短路；或

控制极与阴极短路；说明元件已损坏。

三、大功率电子开关IGBT

1. 绝缘栅双极型晶体管结构

绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT结构图

左边所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极。P+区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P型区（包括P+和P-区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区，它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。

2. IGBT的开关作用原理

IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP(原来为NPN)晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N-沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。

3. IGBT判断极性