1、軌道電力電子,李宏鋒主要內容,基本概念 半導體物理基礎 電力二極管 晶閘管 門極可關斷晶閘管,電力電子,什么是電力電子？ 電力電子有什么特點？和我們常常提到的電工電子有什么區(qū)別 電力電子元器件又有什么特點？ 什么又是軌道電力電子？,電力電子技術,電力電子技術是與電力學、電子學和控制理論三個學科關系十分密切的邊緣學科。它橫跨電子、電力和控制三個領域。,電力電子技術,電力電子技術的兩大分支是電力電子器件的制造技術和電力電子器件的應用，即變流技術。電力電子技術的主要內容包括電力電子器件、電力電子的變流技術和控制技術。,軌道電力電子技術的主要內容是研究電力電子技術及其在軌道車

2、輛上的應用。,第一章 電力電子元器件,電力電子元器件是指可直接用于處理電能的主電路，實現(xiàn)電能變換或控制的電子器件，通常專指電力半導體器件。,電力電子器件的特征,電力電子器件，也稱為開關管，與信息電子中的半導體器件相比，電力電子有如下特點：,功率遠大于信息電子器件； 電壓、電流等級很高； 電路工作在開關狀態(tài)，開關頻率是評價電力電子元器件的重要因素； 需要驅動器進行驅動； 需要散熱器進行散熱。,電力電子元器件主要損耗,常見的電力電子器件的開關頻率和容量,開關的頻率和容量不同，應用場合就不同。,電力電子器件的發(fā)展趨勢,電力電子器件的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：,制作材料新型化； 大容量、高頻率發(fā)

3、展； 模塊化、復合化。,電力電子在軌道車輛上的應用,交-直-交的有點： 電機功率大，轉矩高，功率因數(shù)高，啟動過載能力強，簧下質量輕等。 同時，能實現(xiàn)能量的雙向流動。,1.2 半導體物理基礎,1.2.1 導體、半導體、絕緣體,1.2.2 本征半導體,本征半導體：完全純凈、結構完整的半導體晶體； 特性：本征半導體在絕對零度下是不導電的，在常溫下可以激發(fā)出少量的自由電子，并出現(xiàn)相應數(shù)量的空穴。空穴和自由電子統(tǒng)稱為載流子成對出現(xiàn)。,P型半導體、N型半導體,用適當?shù)姆椒ㄔ诒菊靼雽w內加入微量雜質，就會使得半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。,本征半導體自身帶電不？呈什么電性？,PN結,N型半導體和P型半導體結

4、合后，即物理上的原子距離接觸在一起后，形成PN結。,PN結,載流子會在我工作的熱運動中自由擴散，由自由擴散會產(chǎn)生電勢差。 電勢差和自由擴散的相互聯(lián)系又互相矛盾。 溫度一定的情況下，這種矛盾會達到一種平衡，即會形成PN結。,PN結的單向導通原理正向導通,當PN結兩端加上正向電壓時，外加電場和內電壓相反，外加電場作用下，擴散作用大于漂移作用，形成擴散電流，即PN結變窄，形成正向電流。當外電壓增加時，PN便更窄。正向時，PN結表現(xiàn)為一個很小的電阻。稱之為正向導通。,PN結的單向導通原理反向截止,當PN結兩端加上反向電壓時，外加電場和內電場方向一致，進一步阻止擴散運動的進行。載流子都將進一步離開空間電

5、荷區(qū)，使得空間電荷區(qū)變寬。此時漂移電流稱為主導因素，漂移電流在一定溫度下趨于恒定，表現(xiàn)在外電路就是一個反向電流，該電流稱之為反向飽和電流，一般為微安級。PN結的反向特性表現(xiàn)為一個很大的電阻，幾乎沒有電流通過，稱之為反向截止。,PN結的溫度特性,如左圖所示： 在PN結導電橫截面相同的情況下，當電流比較小時，PN結溫度升高時（T2T1）： PN結正偏時：本征激發(fā)的少子數(shù)量急劇增加； PN結反偏時：PN呈反偏特性。溫度升高使得點陣原子的振動加劇，載流子在空間電荷區(qū)的碰撞機會相應的增加。（UB2UB1）。,PN結的溫度特性的應用溫度補償,如左圖所示： 三極管VT有溫度不良特性溫度升高時，三極管VT的基

6、極電流會增加。加上二極管D后，當溫度升高時，二極管的正向壓降降低，分流后三極管VT的基極電流會減小。反之亦然，這樣，二極管即起到穩(wěn)定三極管基極電流的作用。,PN結的穿通及反向擊穿,穿通和擊穿都是反偏電壓超過一定限度時發(fā)生的反向電流急劇上升的現(xiàn)象，二者有一定的區(qū)別。,穿通是指空間電荷區(qū)隨著反偏電壓升高而擴展到電極接通時發(fā)生的斷路現(xiàn)象。,擊穿是指空間電荷區(qū)的電場隨著反偏電壓的升高而增強到某一臨界值時，空間電荷區(qū)的點陣原子會被電離，直接成為少數(shù)載流子使得反向電流急劇升高。,擊穿的分類,PN結的電容效應,PN結中的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應，稱為結電容CJ，又稱為微分電容。結電容會影響PN結

7、的工作頻率，使得其單相導電性變差，甚至不能工作。,結電容也分為壘式電容和擴散電容。,PN結的電導調制效應,當PN結上流過的正向電流較大時，注入并積累在低摻雜N區(qū)的少子空穴濃度將很大，為了維持半導體電中性條件，其多子濃度也相應大幅度增加，使其電阻率明顯下降，即電導率大大增加。正是電導調制效應，使空穴和自由電子都參與導電的雙極型器件的電流等級要遠高于單機型器件。,1.3 電力二極管,二極管通常有P區(qū)、N區(qū)和中間的空間電荷區(qū)（也稱為壘勢區(qū)、阻擋層或耗盡層）組成。,電力二極管的電壓、電流等級都比較高，通常分為螺栓型和平板型，其電流等級大小和PN結的面積成正比，因此平板型的電流等級要高于螺栓型的。,電力

8、二極管的特性,電力二極管和普通二極管不同，因電力二極管的電壓、電流等級比較高，為了提高其反向耐壓性，摻雜濃度要低于普通二極管，為了減小因摻雜濃度低造成的工作電壓壓降高的問題，電力二極管的內部采取了如下措施： 采用垂直導電結構； 采用P-i-N結構。,電力二極管有沒有電容效應和電導調制效應？,1.3.1電力二極管的基本特性靜態(tài)特性,1.3.1電力二極管的基本特性動態(tài)特性開通特性,電力二極管的開通過程：從斷態(tài)到穩(wěn)定導通狀態(tài)的過渡過程。特征：上升首先出現(xiàn)一個過沖，然后逐漸趨于穩(wěn)定。,電壓過沖的機制主要有兩個：阻性機制和感性機制。,1.3.1電力二極管的基本特性動態(tài)特性關斷特性,電力二極管的開通過程：

9、在電力二極管的兩端施加負電壓。特性：在關斷過程中，當電流IF在反向電流逐漸下降到0，由于正向導通時在對方區(qū)域因擴散而積累的少子在反向電壓下回形成一個較大的反向恢復電流，該電流持續(xù)一段時間后才能衰減到0。,從二極管正向電流過零到反向電流下降到其峰值的10%時的時間間隔稱為反向恢復時間trr。,根據(jù)反向恢復時間trr的大小，二極管可分為整流二極管（ trr 5us），快速恢復二極管（ trr 5us ），肖特基二極管（ trr =1040ns ）。,二極管電流和開通時間的關系？,1.3.2 二極管在軌道車輛上的主要應用（一）,整流：利用二極管的正向導通、反向截止性實現(xiàn)整流變換，是二極管的最基本應用

10、。,續(xù)流：如圖（a）在負載電流較大時，當開關S關斷時，電感L會產(chǎn)生很高的感應電動勢。, = =100 | |=700 =800,1.3.2 二極管在軌道車輛上的主要應用（二）,隔離：利用二極管的單向導通性。,1.4 晶閘管,晶閘管（Thyristor）也稱可控硅（SCR）。電力晶閘管的電壓、電流等級都比較高，通常分為螺栓型和平板型。,A(Anode)陽極； K(Cathode)陰極； G(Gate)門極或控制極。,電流等級大小與PN結面積成正比，平板型電流等級（200A）大于螺栓型(200A)。,1.4.1 晶閘管的結構,晶閘管是三端四層半導體開關器件，共3個PN結，J1，J2，J3。,晶閘管

11、可以看成由兩個三極管T1（P1N1P2）和T2（N1P2N2）構成。,J2(N1P2)為公共的集電結,1.4.1 晶閘管的工作原理, 的共基極電流放大系數(shù) ； 的共基極電流放大系數(shù) ；, = + ； = + ；, = + = + + + = + + , = + 共漏極電流；, 作為 一個 節(jié)點,虛框作為 一個 節(jié)點, + = , = + ( + ,1.4.1 晶閘管的工作原理, = + ( + ,晶閘管的陽極電流IA和放大倍數(shù) 密切相關。 放大倍數(shù) 隨各管的的發(fā)射極電流的變化而變化。, 1 + 2, 1 + 2,1.4.1 晶閘管的工作狀態(tài)關斷,當晶閘管關斷：門極電流IG=0時，無法形成正反饋

12、，晶閘管不能導通。IA=IK僅為很小的漏電流。, = , = ( + ,1.4.1 晶閘管的工作狀態(tài)導通,晶閘管導通：門極電流IG0時，晶閘管會從斷態(tài)轉為通態(tài)。, ( 和 )( + )( 和 ) + ,晶閘管內部兩個三極管的狀態(tài)？,截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū), = + ( + ,1.4.1 晶閘管的工作狀態(tài)導通之后撤銷IG,當晶閘管導通后IA和IK已經(jīng)很大了。即便是此時撤銷IG，由于 仍然會很大，晶閘管仍然能夠繼續(xù)飽和導通。, = + ( + , 1 + 2,IG只是起到一個觸發(fā)的作用。,IH為維持電流，需保證IAIH。當IA=IH時， 稱之為臨界飽和狀態(tài)。, + =,如何關斷呢？,1.4.2 晶閘管

13、的基本特性陽極伏安特性,晶閘管的陽極伏安特性是指陽極與陰極電壓UAK和陽極電流IA之間的關系。第一象限為正向伏安特性，第三象限為反向伏安特性。,伏安特性曲線示意圖解釋,晶閘管的關斷：強迫關斷+自然關斷,1.4.2 晶閘管的基本特性門極伏安特性,晶閘管的門極伏安特性是指門極電壓與電流之間的關系。,晶閘管的門極G和陰極K之間只有一個PN結J3。,晶閘管的門極電流電壓呈二極管的伏安特性。,門極G的電壓、電流要求：過小觸發(fā)不了，過大功率太高，損壞門極。,1.4.2 晶閘管的基本特性動態(tài)特性（開通）,門極觸發(fā)電流來到時，由于載流子渡越到基區(qū)P2需要一定的時間，陽極電流IA要延遲td才開始上升，而后經(jīng)過t

14、r，IA才打到由外電路決定的陽極電流穩(wěn)定值。晶閘管的開通時間ton=td+tr。td為延遲時間，tr為上升時間。,1.4.2 晶閘管的基本特性動態(tài)特性（關斷）,已導通的晶閘管在A、K兩端施加反向電壓時，使陽極電流IA從穩(wěn)態(tài)值下降為0后，晶閘管的各層區(qū)的載流子需要經(jīng)過一定時間才能消失，才能恢復其正向阻斷能力。反向阻斷恢復時間trr，正向阻斷恢復時間tgr，關斷時間ton=trr+tgr。,1.4.3 晶閘管的驅動,晶閘管的門極驅動電路又稱為觸發(fā)電路。觸發(fā)信號可以是交流、直流或脈沖。常用脈沖形式。觸發(fā)脈沖的相位必須與主電路電源電壓保持固定相位關系，即同步，而且觸發(fā)時UAK0。,觸發(fā)脈沖的基本要求：

15、 正向脈沖：門極對陰極為正電壓； 脈沖形式：寬脈沖、窄脈沖、脈沖列均可； 與主電路同步：保持固定相位關系； 與主電路隔離：高、低壓電源隔離； 抗干擾能力：防止誤觸發(fā)。,1.4.3 晶閘管的驅動,觸發(fā)脈沖的要求： 觸發(fā)脈沖需要足夠的功率； 觸發(fā)脈沖的寬度和陡度； 常見的晶閘管觸發(fā)電路和觸發(fā)脈沖波形。,1.5 門極可關斷晶閘管（GTO）,回顧：SCR的關斷方法。,不科學,如何科學+方便？,GTO,GTO與普通晶閘管的比較： 相同點：同樣為四層半導體結構。 區(qū)別：通態(tài)時，門極加足夠大的反向脈沖電流，GTO轉化為斷態(tài)；,1.5.2 GTO的基本特性,陽極伏安特性：當外加電壓超過正向轉折電壓UDRM時，

16、GTO即正向開通，這種現(xiàn)象稱為電壓觸發(fā)。如果反向擊穿電壓URRM，則會發(fā)生雪崩擊穿。,陽極耐壓值：門極電流中的任何毛刺電流都會使陽極耐壓降低，開通后又會使GTO擎住電流和管壓降增大。,1.5.4 GTO的驅動控制,開通控制要求：電壓越高，GTO越容易開通；陽極電流較大時，易于維持大面積飽和導通；溫度低觸發(fā)困難，溫度高容易觸發(fā)。,門極觸發(fā)電流波形的要求：脈沖的前沿陡、幅度高、寬度大、后沿緩。,1.5.5 GTO的驅動電路,1.6 電力場效應管的優(yōu)缺點,電力mosfet的優(yōu)點： 電壓型驅動器件：柵極驅動電流在100nA，幾乎不消耗功率； 正的電阻溫度特性，易并聯(lián)均流； 開關速度很快，工作頻率很高。

17、工作頻率可達100Khz以上； 多元集成結構。,電力mosfet的缺點：通態(tài)電阻大，通態(tài)損耗大；電流容量小，耐壓值低。,1.6 電力場效應管（mosfet）,電力mosfet有三個極：柵極G、漏極D和源極S。它以一塊雜質濃度低的P型材料作為底襯，其上有兩處高摻雜N型區(qū)分別引出作為源極S和漏極D。相互隔離的兩個N區(qū)的表面覆蓋著金屬氧化物SiO2絕緣層。,1.6 電力場效應管的工作原理,當UGS=0時，漏極的N型半導體與P型半導體之間阻擋層構成反向PN結，漏-源極之間也不能導電； 當UGS0時，UGS通過SiO2絕緣層在G-P之間形成電場，在電場力的作用下，柵極G的正電位吸引P區(qū)的電子至鄰近柵極的一側，