电力电子器件及其应用第三章.ppt

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1、1,第三章 电力电子器件及其应用,王俭朴车辆工程系城市轨道车辆教研室,2,第三章 电力电子器件及其应用,主要内容可关断晶闸管(GTO)绝缘栅双极晶体管(IGBT)智能功率模块功率(IPM)电力电子器件对轨道交通变流技术的影响,3,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的特点GTO逆变器的体积比晶闸管逆变器的体积减小40%以上，重量也大为减轻。由于GTO逆变器不需要强迫换流电路，而使电路的损耗减少了64左右。这些优点对重量、体积和效率都有严格要求的车辆电力牵引系统是十分重要的。GTO与SCR的重要区别是：SCR等效电路中两只晶体管的放大系数比1大得较多，通过导通时两只等效晶体管的正反馈作用，使S

2、CR导通时的饱和较深，因此无法用门极负信号去关断阳极电流；GTO则不同，总的放大系数仅稍大于1而近似等于1，因而处于临界导通或浅饱和状态。,4,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的工作原理GTO对门极触发脉冲的要求和SCR的要求相似，但它对关断脉冲的要求很高，容易在关断过程中损坏GTO器件，因此门极控制电路比较复杂。此外GTO的饱和度较浅，所以管压降也比SCR大，为保护管子而设置的电路(缓冲电路)中的损耗也较大。由于二只晶体管的电流放大倍数 仅稍大于1，且 比 小得多，因此集电极电流 占总阳极电流的比例较小，只要设法抽走这部分电流，即可使GTO关断。,图3-1 晶闸管和GTO的工作原理,5

3、,第一节 可关断晶闸管(GTO),把GTO接入电阻负载电路，在门极加上正的触发脉冲和足够大的负脉冲时，GTO就能导通和关断，GTO的符号及电路如图3-2(a)所示，波形如图3-2(b)所示。,图3-2 GTO的符号、电路与波形(a)符号与触发电路(b)门极和阳极电流波形,6,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的关断电路和关断过程中的电压、电流波形图,(a)GTO的关断电路(b)关断时的波形,7,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的主要特性 阳极伏安特性逆阻型GTO的阳极伏安特性。由图可知，它与SCR的伏安特性很近似，当外加电压超过正向转折电压时，GTO即正向开通，这种现象与SCR及其家

4、族基本相同，称为电压触发。此时不一定会使元件损坏，但是外加电压超过反向击穿电压之后，会发生雪崩击穿现象，由此损坏器件。非逆阻型GTO则不能承受反向电压。GTO的耐压性能受多种因素的影响，其中结温的影响较大。随着结温的升高，GTO的耐压会下降，如图所示。,8,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的主要特性 通态压降特性 GTO的通态压降特性是其伏安特性的一部分，如图所示。由图可见随着阳极通态电流的增加，其通态压降增加，即GTO的通态损耗也增加。GTO的开通特性元件从断态到通态的过程中，电流、电压及功耗随时间变化的规律为元件的开通特性，一个动态过程。GTO的开通特性如图所示。开通时间由延迟时间和

5、上升时间组成。开通时间取决于元件的特性、门极电流上升率以及门极触发电流幅值的大小等因素。,9,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的主要特性GTO的关断特性GTO关断过程中的阳极电压、阳极电流和功耗与时间的关系是GTO的关断特性;关断过程中的存贮时间与下降时间两者之和称为关断时间；也有些文献与元件生产工厂定义关断时间为存贮时间、下降时间，还有时间上长达几十的尾部时间三者之和。,10,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的主要参数可关断峰值电流一般可关断峰值电流是有效值电流的23倍；GTO的阳极电流允许值受两方面因素的限制：一个是受热学上的限制；另一个是受电学上的限制。关断时的阳极尖峰电压

6、尖峰电压是感性负载电路中阳极电流在 时间内的电流变化率与GTO缓冲保护电路的电感的乘积。阳极电压上升率 静态电压上升率是指GTO还没有导通时所能承受的最大断态电压上升率。动态电压上升率是指GTO关断过程中的阳极电压上升率。阳极电流上升率,11,第一节 可关断晶闸管(GTO),可关断晶闸管(GTO)的门控电路GTO关断过程的机理及其波形对大功率电力电子元件正向特性的要求是通态电流大，通态电压低，因此在通态下就必须使元件具有足够多的载流子存贮量，这就给元件的关断带来了特殊困难。GTO门控电路的基本要求就是从门极排出P2基区中(见图3-3(a)过剩的载流子(空穴)，这就是说必须在门极加上足够大的反向

7、电压，使P2基区中过剩的空穴通过门极流出，与此同时电子通过P2基区与N2发射极间的J3结从阴极排出。随着电子和空穴的排出，在P2基区和J3结的地方形成逐渐向中心区扩大的耗尽层，如图3-10所示。,12,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO关断过程的机理图其结果是从N2发射极没有电子向P2区注入，在P2基区及N2基区中的过剩载流子一直复合到消失为止，如J3结能维持反偏状态，GTO就被关断。由此可见，关断GTO的前提是门控电路要有足够大的关断电流，以便从门极排出足够大的门极关断电荷，同时其关断功率又不能超过允许值。,图3-10（a)关断时空穴从门极抽出(b)耗尽层的形成,13,第一节 可关断晶闸

8、管(GTO),GTO导通与关断过程波形图,图3-11（a)阳极电压、电流波形（b)门极电压、电流波形,14,第一节 可关断晶闸管(GTO),设计门控电路时，保证GTO关断电路中的储能电容器具有电容量的确定：由图3-11可见，由门极反向电流 所包围的门极关断电荷量为由于关断时间为，且门极关断电流的峰值约为(1/51/3)的可关断峰值电流，故有所以设计门控电路时，应保证GTO关断电路中的储能电容器具有电荷量：已知电容电压，即可求得关断GTO所需的电容量C,15,第一节 可关断晶闸管(GTO),可关断晶闸管(GTO)的门控电路GTO门控电路的基本参数正向强触发电流触发电流脉冲宽度 触发电流上升率 正

9、向偏置电流 门极反向电流幅值 门极反向电流上升率 门极反向电压 关断脉冲宽度,16,第一节 可关断晶闸管(GTO),GTO的门控电路GTR的GTO门控电路 输入正脉冲信号使T1导通，电源E1经T1、R1(C1)、R2使GTO导通，同时E1储能电容C2振荡充电。当T2的基极加以关断信号off时，T2导通，C2经L2、T2、GTO门极放电，使GTO关断。与门极并联的稳压管支路用来改善关断脉冲的波形，关断时导通的T3构成T3、D4支路，使GTO加上负偏置，增进关断可靠性。,图3-12 用GTR的GTO门控电路原理图,17,第一节 可关断晶闸管(GTO),可关断晶闸管(GTO)的门控电路用MOSFET

10、的GTO门控电路,18,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),复合型电力电子器件IGBT是绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)的简称，它综合了GTR的安全工作区宽、电流密度高、导通压降低和金属氧化层半导体场效晶体管MOSFET（MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor）输入阻抗高、驱动功率小、驱动电路简单、开关速度快、热稳定性好的优点。IGBT的工作原理 IGBT是以MOSFET为驱动元件、GTR为主导元件的达林顿电路结构器件。它相当于一个由场效应管MOSFET驱动的厚基区GTR。一般的IG

11、BT模块中，还封装了反并联的快速二极管，以适应逆变电路的需要，因此没有反向阻断能力。IGBT的控制原理与MOSFET基本相同，IGBT的开通和关断受栅极控制，N沟道型IGBT的栅极上加正偏置并且数值上大于开启电压时，IGBT内的MOSFET的漏极与源极之间因此感应产生一条N型导电沟道，使MOSFET开通，从而使IGBT导通。反之，如在N沟道型IGBT上加反偏置，它内部的MOSFET漏源极间不能感生导电沟道，IGBT就截止。,19,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),IGBT的工作原理1GBT的等效电路及图形符号,图3-14 1GBT的等效电路及图形符号(a)简化等效电路(b)二种图形符号(c)

12、实际等效电路,20,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),静态与动态特性伏安特性 伏安特性即输出特性，N-IGBT的伏安特性如图3-15(a)所示。截止区即正向阻断区，栅极电压没有达到IGBT的开启电压VGS(th)。放大区即线性区，输出电流受栅源电压的控制，VGS越高、ID越大，两者有线性关系。饱和区，此时因VDS太小，VGS失去线性控制作用。击穿区，此时因VDS太大，超过击穿电压BVDS而不能工作。,图3-15 1GBT的伏安特性和转移特性（a)伏安特性示意图(b)实际的伏安特性(c)转移特性,21,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),静态与动态特性转移特性 如在图3-15(b)横轴上作一条

13、垂直线（即保持VCE为恒值）与各条伏安特性相交，可获得转移特性。这是漏极电流与栅源电压VGE之间的关系曲线，如图3-15(c)所示。动态特性 IGBT在开通和关断过程中，漏源电压、栅源电压 和漏极电流 的变化情况。开通时间由开通延迟时间、电流上升时间和电压下降时间三者组成，关断时间由关断延迟时间、电压上升时间和电流下降时间三者组成。,22,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),擎住效应概念 由于IGBT结构上难以避免的原因，它的等效电路图实际上如图3-14(c)所示，内部存在一只NPN型寄生晶体管，当漏极电流大于规定的临界值时，该寄生晶体管因有过高的正偏置被触发导通，使PNP管也饱和导通，结果I

14、GBT的栅极失去控制作用，这就是所谓擎住效应。危害 IGBT发生擎住效应后漏极电流增大，造成过高的功耗，最后导致器件损坏。如何防止不使漏极电流超过，防止静态擎住效应；还可用加大栅极电阻的办法，延长IGBT的关断时间。防止动态擎住效应。,23,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),擎住效应正向偏置安全工作区 IGBT开通时的正向偏置安全工作区FBSOA由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成 最大漏极电流是按避免擎住效应而由制造时确定的；最高漏源电压是由IGBT中PNP晶体管的击穿电压规定的；最高功耗由最高允许结温所规定。反向偏置安全工作区它随IGBT关断时的重加 而改变，数值越大，越容易引起IGB

15、T的误导通，因此相应的反向偏置安全工作区越狭窄。（a）正向安全工作区(b)反向安全工作区,24,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),IGBT的栅极驱动电路IGBT栅控电路的要求提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT能可靠地开通和关断；提供足够大的瞬时功率或瞬时电流，使IGBT能及时迅速建立栅控电场而导通；输入、输出延迟时间尽可能小，以提高工作频率；输入、输出电气隔离性能高，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；具有灵敏的过电流保护能力。IGBT栅控电路的一些注意事项栅极负偏压对IGBT的关断特性影响不大，但在驱动电动机的逆变器电路中，为了使IGBT能稳定可靠地工作，还需要负偏压。负偏压通常取-5V或

16、者稍大一些。IGBT栅控电路中的栅极电阻对它的工作性能影响颇大，取较大的，对抑制IGBT的电流上升率及降低元件上的电压上升率都有好处，但若过大，就会过分延长IGBT的开关时间，使它的开关损耗加大，这对高频的应用场合是很不利的，而过小的可使电流变化率太大而引起IGBT的不正常或损坏。为了使栅极驱动电路与信号电路隔离，应采用抗干扰能力强、信号传输时间短的光耦合器件。IGBT门极与发射极的引线应尽量短，以减少栅极电感和干扰信号的进入。,25,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),用光耦器件隔离信号电路与栅控电路图3-19中，用光耦器件隔离信号电路与栅控电路。栅控电路由MOSFET及晶体管推挽电路构成，

17、具有正、负偏置。当输入信号为高电平时，光耦导通，MOSFET截止，T1导通，使IGBT迅速开通。当输入信号为低电平时，光耦导通截止，MOSFET及T2都导通，IGBT截止。,图3-19 IGBT的栅控电路原理图,26,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),IGBT的栅极驱动电路EXB系列模块化集成电路 集成化模块栅控电路性能可靠，使用方便，是发展方向。EXB系列模块内部带有光耦合器件和过电流保护电路，它的功能如图3-20所示。管脚1，连接用于反向偏置电源的滤波电压；管脚2，电源20V；管脚3，驱动输出；管脚4，用于连接外部电容，以防止过流保护电路误动作；管脚5，过流保护输出；管脚6，集电极电压监

18、测；管脚14，15驱动信号输入；管脚9，电源0V。,图3-20 EXB系列的栅控模块 功能方框图,27,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),IGBT的栅极驱动电路EXB系列模块的接口电路 模块与IGBT间的外部接口电路如图3-21所示。驱动信号经过外接晶体管的放大，由管脚14和管脚15输入模块。过电流保护信号由测量反映元件电流大小的通态电压VCE得出，再经过外接的光耦器件输出，过电流时使IGBT立即关断。二只外接电容器用于吸收因电源接线所引起的供电电压的变化。管脚1和管脚3的引线分别接到IGBT的发射极E和门极G，引线要尽量短，并且应采用绞合线，以减少对栅极信号的干扰。图中D为快速恢复二极管。

19、,图3-21 EXB系列模块的接口电路,28,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),IGBT的栅极驱动电路HR065模块的电路原理图解析,图3-22 HR065模块的电路原理图,29,第二节绝缘栅双极晶体管(IGBT),IGBT的栅极驱动电路HR065模块的电路原理图解析光耦OCl及晶体管T1T3等构成驱动器的基本电路，其中T2、T3为一对互补推挽管，当OCl有输入、T1截止、T2导通时，T3截止，驱动器的输出端3向IGBT输出正电压；反之，输出负电压，IGBT截止。T4、T5、D2及R4 R8、C1C3构成过电流检测、故障信号输出及导通保持电路。当IGBT正常导通时，8端与1端(即发射极)之间

20、为IGBT的饱和压降和外接检测二极管正向压降之和，电压较低，稳压管D2中无电流通过，T5截止，故障输出端子5、6之间无电流输出。当过电流发生时，IGBT的饱和压降VCEO随着电流增大而升高，若压降超过规定值(约7V)，D2反向导通，T5由截止转为导通，一方面故障信号输出端5、6有电流输出。同时T1导通，强行将T2、T3的基极电流减少，使T2饱和区退回到放大区，造成输出正向驱动电压下降，以实现IGBT的“软关断”。另一方面，T5导通时R6上的正脉冲经C2、C3的分压使T4导通，但C3又因 R4的泄放，仅使T4保持3045的导通状态，保证T1在此延时内可靠截止，使IGBT继续有一暂短的延时导通时间

21、，不受输入端信号的影响。若在此期间过电流消失，则Dl截止，IGBT的正向驱动电压恢复正常。若在这段延时之后过电流故障仍然存在，在输入封锁信号作用下，OCl管截止，使T1和T2导通，故GBT关断。IGBT关断时，T6导通，使故障检测电路不起作用。即T6管起着逻辑电路作用，它保证只有驱动器输出正向电压时 才开放过流检测电路，其它情况下均使其无效，这样能可靠地防止过电流干扰。,30,第三节智能功率模块功率（IPM）,智能功率模块IPM（Intelligent Power Module）是一种在高速、低耗的IGBT基础上再集成栅极控制电路、故障检测保护电路的模块。它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一

22、起，而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU或DSP作中断处理。它由高速低工耗的管芯和优化的门级驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以使IPM 自身不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，并内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。小功率器件采用一种多层环氧树脂粘合绝缘系统，铜层和环氧树脂直接在铝基板上构成屏蔽的印刷线路。功率芯片和栅驱动电路直接焊在基板上面，不需要另外设置印刷线路板和陶瓷绝缘材料。因而封装费用特别低，适合讲究低成本和尺寸紧凑的消费类和工业产品上的应用。中、大功率器件采用陶瓷绝缘，即铜箔直接键合到陶瓷衬底上面不用焊料

23、。这样的衬底结构可以为大功率器件提供所需的得到改进的散热特性和更大的载流容量。,31,第三节智能功率模块功率（IPM）,IPM 的结构IPM 模块有四种封装形式：单管封装，双管封装，六管封装和七管封装。,32,第三节智能功率模块功率（IPM）,IPM的自保护功能IPM有精良的内置保护电路以避免因系统相互干扰或承受过负荷而使功率器件损坏。所设置的故障检测和关断序列允许最大限度地利用功率器件的容量而不牺牲其可靠性。当IPM模块中有一种保护电路动作时。IGBT栅极驱动单元就会关断并输出一个故障信号（FO）。,33,第三节智能功率模块功率（IPM）,IPM的自保护功能控制电源欠压锁定（UV）内部控制电

24、路由一个15V的直流电压供电，如果某种原因导致控制电压符合欠压条件，该功率器件将会关断IGBT 并输出一个故障信号。,34,第三节智能功率模块功率（IPM）,IPM的自保护功能过热保护（OT）在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，如果基板温度超过过热动作数值（OT），IPM 内部控制电路会截止栅极驱动，不响应控制输入信号，直到温度恢复正常(应避免反复动作)，从而起到保护功率器件的作用。,35,第三节智能功率模块功率（IPM）,IPM的自保护功能过流保护（OC）如果IGBT 的电流超过数值并大于时间toff(OC),IGBT 被关断，典型值：10S，超过OC 数值但时间小于toff

25、(OC)的电流并无大碍，IPM 保护不动作。短路保护（SC）发生负载短路或上下臂直通时，IPM 立即关断IGBT 并输出故障信号。,36,第三节智能功率模块功率（IPM）,IPM 的选用为了选择合适的IPM用于VVVF装置，有两个主要方面需要权衡：根据电动机的峰值电流IC和IPM的过电流动作值OC选用适当型号的IPM；采用适当的热设计保证结温峰值永远小于最大结温额定值（150），使基板的温度保持低于过热动作数值。电机最大峰值电流：其中 P电机功率的额定值；OL变频器最大过载因数 R电流脉动因数；变频器效率；PF功率因数；VAC线电压标定值。,37,第四节 电力电子器件对轨道交通变流 技术的影响

26、,电力电子技术在轨道交通电力牵引传动系统中的应用主要分为三个方面：它们是主传动系统、辅助传动系统、控制和辅助系统中的稳压电源，下面从这三个方面分析电力电子器件对于轨道交通变流技术的影响。并且从系统性能、装置简约、试验系统、多器件化和电能质量改善等五个方面阐述电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展。,38,第四节 电力电子器件对轨道交通变流 技术的影响,电力电子器件对电力牵引主传动系统的影响至今为止，电力电子器件在电力牵引主传动系统的应用主要经历了大功率硅二极管(PiN-Diode)、普通可控硅(PK-SCR)、快速可控硅(KK-SCR)、门极可关断晶闸管(GTO)和绝缘栅双极晶体管(IGB

27、T)这几个阶段：1900年当安装在玻璃罩内的贡弧整流器(mercury arc rectifier)诞生；1954年，Pearson和Fuller发明了PiN大功率二极管；1956年贝尔实验室的Moll等人发明了可控硅；GTO器件的原理于1960年获得突破后；1983年开始应用的电力牵引交流传动系统；1990年代中后期，开始应用IGBT器件。,39,第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响,电力电子器件对电力牵引主传动系统的影响IGCT和GTO相比，主要有四个方面的改进：通过门极驱动单元和封装结构的优化设计，将门极驱动单元与封装的GCT芯片集成在一起，从而大幅度的降低了门极与阴极回路中的杂

28、散电感；由于IGCT通过“N”缓冲层+穿透阳极结构，将硅片的厚度降低了1/3左右，大幅度地降低了器件的通态损耗；通过设置“穿透阳极发射极”结构，大大提高了电子的抽出速度，又不引起空穴的注入，因而可实现晶体管式的关断；在减薄硅片厚度的基础上，在芯片中集成了反向续流二极管，形成GCT，简化了电路结构。,40,第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响,电力电子器件对辅助系统的影响在电力电子器件得到应用之前，在单相交流供电的电力机车中，辅助系统电源大多采用异步旋转劈相机，把单相交流电变为三相交流电，如韶山8型电力机车的YPX-280M-4型劈相机。在直流供电的地铁车辆中，辅助系统电源大多采用直流电

29、动同步发电机组来获得三相交流电。如出口伊朗地铁列车的ZQD-14/TQF-14型辅助发电机组。国内最早应用的是1986年开始进口的8K电力机车，当时采用的是GTO的逆变器。1990年代以来，辅助系统开始陆续采用IGBT作为逆变器的器件。我国1990年代中期投入运营的广州地铁和北京地铁复八线车辆等辅助电源分别采用了德国和日本的IGBT逆变器。1990年代中期以后，我国研制成功了600VDC电压逆变的列车空调逆变器和600V到110V的DC/DC变换器，从而取消了发电车。由于采用IGBT器件容量等级的不同，辅助系统的电路结构可以分为三种形式：第一种是交-直-交型；第二种是直-交-交型；第三种是直-

30、直-交型。,41,第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响,电力电子器件对控制和辅助电路稳压电源的影响所有控制和辅助电路的电源均由110VDC电源获得。在电力机车中，早期的110VDC由牵引变压器辅助绕组通过可控硅相控整流获得，电压稳定度不是很高。随着电力电子器件的发展，现在国内和谐号高速列车和重载货运列车的110VDC电源由IGBT器件构成DC/DC隔离开关电源获得，具有很好的电压精度和电压稳定性。在地铁动车组中IGBT和MOSFET等电力电子器件得到应用后110VDC电源也由相互隔离的DC/DC开关电源获得。110V以后的稳压电源需求量很大，稳压电源的电压等级主要有24V，15V，5V

31、。这些电源等级由容量更小、开关频率更好的MOSFET构成的开关电源获得。,42,第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响,电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展 电力电子器件、拓扑结构及其控制技术的发展，大大促进了现代电力牵引传动技术的发展。下面从系统性能、装置简约、试验系统、多器件化和电能质量改善五个方面阐述电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展。促进电力传动系统性能的优化，在电力电子技术的带动下，电力传动系统由直流传动走向了现代交流传动。交流传动与直流传动相比，主要有以下优点：优异的运行性能；显著的节能效果；减少易损部件，降低运营成本；优良的可靠性和维修性；供电质量大大改善，接

32、近理想波形；1990年代中后期，开始应用IGBT器件。,43,第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响,电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展促进电力传动系统装置的简约化：电力电子器件容量和性能的提高，促进了主电路结构的简化。器件从GTO到IGCT的改进，省去了主电路的吸收电路和外接的反并联续流二极管，大大简化了主电路的结构，同时简化了驱动电路单元；封装形式的改进，既降低了器件热阻，简化散热系统，又方便工程化安装；IGBT绝缘基板的模块化结构与双面压接式GTO结构相比，工程化安装极为容易，散热系统也很简约。为改善热阻，其生产厂家改用AlN代替Al2O3作为硅芯片衬底采用；为改善与AlN

33、热膨胀系数的匹配，采用AlSiC代替Cu作为基板。为解决模块化结构比较低的热循环能力等问题，采用两边DCB绝缘的三明治结构形式，然后再DCB上集成液冷的微通道散热器。功能单元模块化设计，增加了电磁兼容性，也方便了安装和拆卸；,44,第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响,电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展促进交流传动试验系统的发展：交流牵引传动试验台应该能完成如下五种试验：按照机车牵引特性进行不同级位的“恒流准恒速”特性控制的牵引运行试验；按照机车制动特性进行再生制动试验；按照机车恒转矩启动要求进行机车起动加速试验；逆变器容量足够大时，能完成牵引电机的各种特性试验和有关参数的测定

34、；电机容量许可时，能完成逆变装置的考核运行试验。“能量消耗式”系统。“能量反馈式”系统。互馈式交流传动试验系统。,45,第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响,电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展促进电传动系统的多器件化发展：电力电子技术发展的一个重要趋势是不断地增加以电力电子器件为核心的变流装置在电能变化中的比重。电传动系统也不例外，现代交流牵引供电方式是通过安装在机车上的单相牵引变压器把电压变为机车所需的各种电压等级。然后通过车上的各种变换器供给牵引电机和辅助传动和照明等系统。但是牵引变压器非常重，比如国产SS8电力机车中为11.5吨，进口8K电力机车中为12.6吨。由于机车轴

35、重的要求，列车减重往往是一个重要的指标。人们提出了用变流器取代牵引功率变压器的想法。通过多电平串接四象限变流器和多重化DC/DC变换器，可以用高频牵引变压器来取代现在的工频变压器。,46,第四节 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响,电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展促进牵引供电电能质量的改善：晶闸管在轨道交通领域中的应用，始自电力机车的相控整流器。随着晶闸管触发角的增大，交流侧功率因数会恶化。另外相控整流器的工作，使得电网的低次谐波含量大大超标。随着可关断电力电子器件的发展，GTO和IGBT等器件先后在电力机车和牵引变电站中得到应用。电力机车牵引变压器网侧的电能质量大大改善。晶闸管为

36、主构成的SVC在牵引变电站使用后，大大改善了无功和低次谐波，但它动态响应速度不够快，不能及时跟踪补偿快速变化的电流电压。由可关断器件构成的静止无功发生器（SVG）或静止同步补偿器（Statcom），能够很好地跟踪轨道交通车辆运行过程中动态变化的无功和谐波。,47,第三章电力电子器件及其应用,作业题3-2 为什么普通晶闸管是半控型器件，而GTO是全控型器件？试从原理上进行简要说明。3-3 GTO的主要特性参数有哪些？3-4 GTO电路中过电压、过电流产生的根源是什么？如何防止和保护？3-7 功率MOSFET的驱动电路有哪几种？保护电路有哪几种？并各举一例加以简要分析。3-8 IGBT的特性参数有哪些？3-9 何为擎住效应？如何避免？3-10 IGBT的驱动电路有何要求？试举一例加以简要分析。3-11 功率集成模块的内部主要结构包括哪些？各自有什么功能？3-12 简述对IGBT栅控电路的基本要求。3-13分析电力电子器件对于轨道交通变流技术的影响。3-14 从系统性能、装置简约、试验系统、多器件化和电能质量改善等五个方面阐述电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展。,48,本章课程结束 谢谢！,