第二章电力牵引控制系统常用电力电子器件

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，又称自关断器件。不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。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：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。

按照驱动电路信号的性质，分为两类：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。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1、

晶闸管的结构与工作原理二、晶闸管（a）螺栓形；（b）平板形；（c）晶闸管符号；（d）晶闸管的型号及意义外形有螺栓型和平板型两种封装。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。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。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。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。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，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。式中

1和

2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式可得：可得：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）

阻断状态：IG=0，

1+

2很小。流过晶闸管的电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致

1+

2趋近于1，流过晶闸管的电流IA，IA≈IK；则由外电路电源电压US和负载电阻R限定，即IA≈IK≈EA/R。实现饱和导通晶闸管的等效电阻变得很小，其通态压降仅为1~2V。

在低发射极电流下

是很小的，而当发射极电流建立起来之后，

会迅速增大（形成强烈正反馈所致）。一旦晶闸管从断态转为通态后，因IA

、IK已经很大，即使撤除门极电流IG

，由于α1+α2≈1，由式可知IA≈IK仍然会很大，晶闸管仍继续处于通态，并保持由外部电路所决定的阳极电流IA≈IK=EA/R。2晶闸管的基本特性承受反向电压时，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。晶闸管正常工作时的特性总结如下：（晶闸管阳极与阴极间的电压和阳极电流的关系，称为晶闸管的伏安特性。晶闸管的伏安特性位于第一象限的是正向伏安特性，位于第三象限的是反向伏安特性1）伏安特性图1-8晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG0A-正向阻断状态；A—转折点；Ub0—转折电压；UDRM—断态重复值电压；UDSM—断态不重复峰值电压；H—关断点；IH—维持电流；OP—反向阻断状态；P—击穿点，UR0—击穿电压；

URSM—反向不重复峰值电压；URRM—反向重复值电压；（1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在2V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）静态特性图1-8晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）静态特性图1-8晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。

IH称为维持电流。反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。图1-8晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性晶闸管的型号

Ｐ----普通,Ｋ—快速型，Ｓ—双向型，Ｎ—逆导型，Ｇ—可关断，LTT—光控

KP[电流]─[电压/100][通态压降组别

]KP500-12G0.9V<=UT(AV)<=1.0V;额定电压为1200V;额定电流为500A 3、晶闸管的参数（1）额定电压UR。在门极开路（IG=0），器件额定结温度时，正向和反向折转电压的80%值称为断态正向重复峰值电压UDRM和断态反向重复峰值电压URRM。UDRM和URRM这两个电压中较小的一个电压值规定为该晶闸管的额定电压UR。由于在电路中可能偶然出现较大的瞬时过电压而损坏晶闸管，在实际电力电子变换和控制电路设计和应用中，通常按照电路中晶闸管正常工作峰值电压的2~3倍的电压值选定为晶闸管的额定电压，以确保足够的安全裕量。（2）晶闸管的额定电流IR。在环境温度为40℃和规定的散热冷却条件下，晶闸管在电阻性负载的单相、工频正弦半波导电，结温稳定在额定值125℃时，所对应的通态平均电流值定义为晶闸管的额定电流IR

。晶闸管的额定电流也是基于功耗发热而导致结温不超过允许值而限定的。如果正弦电流的峰值为Im，则正弦半波电流的平均值为已知正弦半波的有效值（均方根值）为

由上两式得到有效值为即产品手册中的额定电流为IR=IAV=100A的晶闸管可以通过任意波形、有效值为157A的电流，其发热温升正好是允许值。在实际应用中由于电路波形可能既非直流（直流电的平均值与有效值相等），又非半波正弦；因此应按照实际电流波形计算其有效值，再将此有效值除以1.57作为选择晶闸管额定电流的依据。当然，由于晶闸管等电力电子半导体开关器件热容量很小，实际电路中的过电流又不可能比避免，故在设计应用中通常留有1.5~2.0的电流安全裕量。（3）维持电流IH。使晶闸管维持导通所必须的最小阳极电流。当通过晶闸管的实际电流小于维持电流IH值时，晶闸管转为断态，大于此值时晶闸管还能维持其原有的通态。（4）擎住电流IL。晶闸管在触发电流作用下被触发导通后，只要管子中的电流达到某一临界值时，就可以把触发电流撤除，这时晶闸管仍然自动维持通态，这个临界电流值称为擎住电流IL

。擎住电流IL和维持电流IH都随结温的下降而增大。但是请注意，擎住电流和维持电流在概念上是不同的。通常擎住电流IL要比维持电流IH大2~4倍。晶闸管的测试:万用表测试法1、用万用表的R*1K档测阴极和阳极间正反向电阻均很大。2、用万用表的R*10K档测阴极和门极间正向电阻应小于或接近于反向电阻。三、门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）全控、双极型电流驱动结构：由许多GTO元组成，每一个GTO元与晶闸管相似。与普通晶闸管的相同点：

PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。1、GTO的结构和工作原理（a）GTO芯片；（b）GTO剖面；

（c）GTO立体结构

GTO外部同样引出3个电极，但内部却包含数百个共阳极的小GTO，它们的门极和阴极分别并联在一起。与SCR不同，GTO是一种多元的功率集成器件，这是为便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。GTO的阴极是由数百个细长的小条组成，每个小阴极均被门极所包围。开通原理由一个GTO元等效电路可以看出，当阳极加正向电压，门极同时加正触发信号时，GTO导通，

一个GTO元件的等效电路

显然这是一个正反馈过程。当流入的门极电流IG足以使晶体管N2P2N1的发射极电流增加，进而使晶体管P1N1P2的发射极电流也增加时，α1和α2也增大。当α1+α1>1之后，两个晶体管均饱和导通，GTO则完成了导通过程。可见，GTO开通的必要条件是忽略漏流，此时注入门极的电流式中：IA——GTO的阳极电流；

IG——GTO的门极电流。（1-5）与前所述晶闸管的阳极电流公式相同当GTO门极注入正的电流IG但尚不满足开通条件时，虽有正反馈作用，但器件仍不会饱和导通。这是因为门极电流不够大，不满足α1+α1>1的条件，这时阳极电流只流过一个不大而且是确定的电流值。当门极电流IG撤销后，该阳极电流也就消失。与α1+α1=1状态所对应的阳极电流为临界导通电流，定义为GTO的擎住电流。当GTO在门极正触发信号的作用下开通时，只有阳极电流大于擎住电流后，GTO才能维持大面积导通。关断原理GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：设计

2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。导通时

1+

2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。GTO能够通过门极关断的原因:图1-7晶闸管的工作原理关断GTO时，将开关S闭合，门极就施以负偏置电压EG。晶体管P1N1P2的集电极电流IC1被抽出形成门极负电流－IG，此时晶体管N2P2N1的基极电流减小，进而引起IC1的进一步下降，如此循环不已，最终导致GTO的阳极电流消失而关断。阳极电流开始下降，于是α1和α2也不断减小，当α1+α2≤1时，器件内部正反馈作用停止，称此点为临界关断点。GTO的关断条件为关断时需要抽出的最大门极负电流－IGM为式中：IATO——被关断的最大阳极电流；

IGM——抽出的最大门极电流。由式得出的两个电流的比表示GTO的关断能力，成为电流关断增益，用βoff表示如下：βoff是一个重要的特征参数，其值一般为3~8。GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。由上述分析我们可以得到以下结论：2、GTO的特性：（1）阳极伏安特性当外加电压超过正向转折电压UDRM时，GTO即正向导通，这种现象称做电压触发。此时不一定破坏器件的性能；但是若外加电压超过反向击穿电压URRM之后，则发生雪崩击穿现象，极易损坏器件。用90%的UDRM和URRM定义为正向额定电压和反向额定电压GTO的阳极耐压与结温和门极状态有着密切关系，随着结温升高，GTO的耐压降低，当温度达到一定值时可不加触发信号，GTO即可自行开通。为了减小温度对阻断电压的影响，可在其门极与阴极之间并联一个电阻，即相当于增设了一短路发射极。GTO的阳极耐压还与门极状态有关，门极电路中的任何毛刺电流都会使阳极耐压降低，开通后又会使GTO擎住电流和管压降增大。四、电力晶体管电力晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）。是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT，与GTR名称等效。

应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。1）GTR的结构和工作原理图1-15GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动

a)内部结构断面示意图b)电气图形符号c)内部载流子的流动在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为（1-9）

——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为ic=

ib+Iceo

（1-10）单管GTR的

值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。空穴流电子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib1）GTR的结构和工作原理

(1)

静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce图1-16共发射极接法时GTR的输出特性2）GTR的基本特性电力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。1）电力MOSFET的结构和工作原理电力MOSFET的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，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。图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号截止：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。电力MOSFET的工作原理（N沟道增强型VDMOS）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——电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。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。电力MOSFET的驱动电路:1.4.4

绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管