毕业设计（论文）-电工电子器件在电力机车上的应用.doc

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1、 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 电工电子器件在电力机车上的应用 黑龙江交通职业技术学院黑龙江交通职业技术学院 2014 年年 11 月月 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 电力电子器件在电力机车上的应用 姓名： 指导教师： 专业：铁道机车车辆（电力机车）专业 学院：机车车辆学院 答 辩 日 期：2014 年 12 月 单位：黑龙江交通职业技术学院 - I - 毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）开题报告 题目：电力机车高低压试验 1 本课题的来源、选题依据： 电力机车的高压试验、低压试验是机车组装完成之后对机车各部件 进行调整和整定必不可少的工作之一。 2 本课题的设计（研究）意义（相

2、关技术的现状和发展趋势）： 目前国内交直传动电力机车大部分试验通过人为直接操作，检验结果也 都是通过直接观察、直接测量来实现。相比进口交流传动机车，国内交直传 动电力机车的调试手段要显得落后一些。 3 本课题的基本内容、重点和难点，拟采用的实现手段（途径）： （可以另附页） 电力机车高压试验及电力机车低压试验的程序及要求。使学生比。 4 文献综述（列出主要参考文献的作者、名称、出版社、出版时间以及与 本课题相关的主要参考要点）： 指导教师意见： 指导教师： 年 月 日 专业部意见： 签字 年 月 日 - II - 中期进展情况检查表中期进展情况检查表 年 月 日 课题名 称 电工电子器件的应用

3、 学生姓 名 唐亮学 号 201229 040 专 业铁道机车车辆（电力方向） 指导教 师 陈同一职 称工程师 主要研 究内容 及进展 电工电子器件如二极管晶闸管等，所组沉的半控，全控整流 电路，对机车的控制，在机车牵引制动是起到的作用，极其电路 的结构特点。 尚须完 成的任 务 在半控以及全控电路中，仍有不足。需要改进。 存在的 主要问 题及解 决措施 存在的问题：对于控制电路知识没有具体了解 解决措施：向专业老师咨询和查阅相关资料 指导教 师审查 意见 专业部 审查意 见 摘 要 - III - 摘 要 主要介绍的器件有二极管，晶闸管，以及组成的 IGBT，他们的结构特点。极 其在电力机车

4、上的应用，所组成的半控电路，全控电路，不可控电路对电力机车 的作用，和电路的结构特点。在应用上的注意事项对机车完成的操控。以及对电 路图的全面剖析更深刻的了解作用。 关键词：二极管；晶闸管；电路图 Abstract - IV - Abstract Externally pressurized gas bearing has been widely used in the field of aviation, semiconductor, weave, and measurement apparatus because of its advantage of high accuracy, lit

5、tle friction, low heat distortion, long life-span, and no pollution. In this thesis, based on the domestic and overseas researching Keywords: Diode thyristor;，circuit diagram; 目 录 - V - 目 录 摘 要.III ABSTRACTIV 第 1 章 绪 论.1 1.1 课题背景及研究的目的和意义.1 1.2 电力机车的电子器件有哪些结构特点的简单介绍。1 1.3 二极管与晶闸管所组成的半控电路特点.1 1.4 晶闸管

6、组成全控电路在电力机车的特点.1 第 2 章半控桥氏整流电路的结构与分析.2 1.1 二极管特性.2 1.2 二极管组成的中点抽头式全波整流电路工作原理.3 1.3 二极管组成的桥式全波整流工作原理.3 1.4 二极管与晶闸管所组成的三段不等分桥式整流电路原理.4 1.5 电路的构成及工作特点.5 1.5 三段不等分半空桥在点开机车上的应用.6 1.6 本章小结.7 第 3 章 晶闸管组成的全控桥解析及其应用.8 2.1 晶闸管特性.8 2.2 晶闸管的工作原理.9 2.3 晶闸管组成的三相桥式全控电路原理.9 2.4 机车实现再生制动.10 2.5 本章小结.11 第 4 章 IGBT 的原

7、理及其应用.12 3.1.IGBT 的基本介绍.12 3.2.IGBT 的结构点.12 3.3.IGBT 两种工作状态.13 3.4.IGBT 在电力机车上的应用.15 3.5.IGBT 保管时的注意事项.15 3.6 本章小结.15 结论.16 参考文献.17 目录 - VI - 致谢.18 第 1 章 绪论 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景及研究的目的和意义 电力机车电路中电子器件对电力机车起到重大作用，对电压的调节，减少谐波干 扰，机车启动时对电压电流的调节。其中的器件有二极管，晶闸管，等他们的应 用. 1.2 电力机车的电子器件有哪些结构特点的简单介绍。 二极管，晶闸管

8、，等最基本的电子器件,IGBT 在机车上的应用。 1.3 二极管的结构特点 二极管是由一个 PN 结构成的半导体器件，即将一个 PN 结加上两条电极引线做 成管芯，并用管壳封装而成。P 型区的引出线称为正极或阳极，N 型区的引出线 称为负极或阴极，如图所示。 普通二极管有硅管和锗管两种，它们的正向导通电压（PN 结电压）差别较大， 锗管为 0.20.3V，硅管为 0.60.7V。 1.4 晶闸管结构特点晶闸管结构特点 黑龙江交通职业技术学院毕业设计（论文） - 2 - 1晶闸管的结构 晶闸管是一种 4 层功率半导体器件，具有 3 个 PN 结，其内部的构造、 外形和电路符号如下图所示。其中，最

9、外层的 P 区和 N 区分别引出两个电极，称 为阳极 A 和阴极 K，中间的 P 区引出控制极（或称门极） 。 2 晶闸管的特点： 具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用 的半导体器件之一。工作特性是“一触即发” 。但是，如果阳极或控制极外加的 是反向电压，晶闸管就不能导通。控制极的作用是通过外加正向触发脉冲使晶闸 管导通，却不能使它关断。那么，用什么方法才能使导通的晶闸管关断呢?使导 通的晶闸管关断，可以断开阳极电源(图中的开关 S)或使阳极电流小于维持导通 的最小值(称为维持电流)。如果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动 直流电压，那么，在电压过零时，晶闸管会自行关断。

10、 第一章 版空前式整流电路的借口与分析 - 3 - 二极管二极管 第 2 章半控桥氏整流电路的结构与分析 1.1 二极管特性 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 图二极管与晶闸管实物图 晶闸管 黑龙江交通职业技术学院毕业设计（论文） - 4 - 就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。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” ，锗二极管约为 0.2V,硅二极管约为 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(锗二极管 约为 0.3V,

11、硅二极管约为 0.7V),称为二极管的“正向压降” 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。 当普通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，二极管会反向热击穿而损坏。 1.2 二极管组成的中点抽头式全波整流电路工作原理 如图中牵引变压器二次侧绕组分成 oa,ob 两段，两段电压大小相等，方向相 反，整流元件 VD1，VD2 的正极分别与二次侧绕组 a,b 点相接，负极相互连接在

12、一起，牵引变压器的一端与变压器二次侧绕组的中点 o 点相接，另一端经平波电 抗器 PK 与整流电路的输出端即整流元件的负极相连。 电路正常工作，当变压器二次侧正半周 a 点为高电位时，整流元件 VD1 导通电流由 a 点经整流元件 VD1，平波电抗器 PK，牵引电动机 M 回到 O 点，构成 一闭合回路。此时，整流元件 VD2 因承受反向电压而截止，当变压器二次侧负半 周 b 点为高电位时，整流元件 VD2 导通，电流由 b 点经过整流元件 VD2，平波电 抗器 PK，牵引电动机 M 回到 o 点，也构成一闭合回路。此时，整流元件 VD1 因承 受反向电压而截止。由此可知，在交流电压正负两个半

13、周内，变压器二次侧绕组 oa,ob 交替流过电流而牵引电动机 M 中则始终流过连续不断的方向不变的电流， 保证了直流牵引电动机的正常工作。 1.3 二极管组成的桥式全波整流工作原理 第一章 版空前式整流电路的借口与分析 - 5 - 桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导 通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是 反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。 桥式整流器对输入正弦波的利 用效率比半波整流高一倍。桥式整流是交流电转换成直流电的第一个步骤.如图 在整流元件 D4D3 接成一个电桥形式，这样会使变压器二次侧绕组 ab 接到电桥 一

14、对角线的 mn 两点，造成牵引电动机 M 经平波电抗器 PK 与电桥的另一对角线 cd 相连。那么在机车电路工作正常的情况下，当变压器二次侧电压正半周 a 点为高 电位时，会使整流元件 D4VD2 导通，整流电流由绕组 a 点经整流元件 D4，平波电 抗器 PK，牵引电动机 M 整流元件 D3 回到绕组 b 点，此时这样会使整流元件 D1，D3 承受反向电压而截止，在变压器二次侧电压负半周 b 点为高电位时整流元 件 D1，D3 导通，整流电流由 b 点经过整流元件 D3，平波电抗器 PK，牵引电动机 M，整流元件 D4 回到 a 点，此时整流元件 VD1，VD3 因承受反向电压而截止，由 此

15、可见在交流电压的正负半周内都有电流流过变压器二次侧绕组且方向不同，虽 然这样而牵引电动机 M 中则始终流过方向不变的电流。 1.4 二极管与晶闸管所组成的三段不等分桥式整流电路原理 如图所示随着桥段数的增多，机车的功率因数将有所提高，但物极必反段数 的增多会使牵引变压器二次侧绕组分段数相应增加，整流桥臂数增加，整流原件 的量增多，会使主电路复杂控制系统复杂，给检修带来了负担，但段数不多于 4。这样既能实现对机车的调节，也不会为维修带来麻烦，绝对的经济性价比， 随着社会生产和科学技术的发展，整流电路在自动控制系统、测量系统和励磁系 统等领域的应用日益广泛。常用的三相整流电路有三相桥式不可控整流电

16、路、三 相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路，由于整流电路涉及到交流信号、 黑龙江交通职业技术学院毕业设计（论文） - 6 - 直流信号以及触发信号，同时包含晶闸管、 、电感、电阻等多种元件，采用常规 电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下实验也难顺利进行。Matlab 提供的可视 化仿真工具 Simtlink 可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且立即 可得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。本文利用 Simulink 对三相桥式全控整流电路进行建模，对不同控制角、桥故障情况下进行 了仿真分析，既进一步加深了三相桥式半控整流电路的理论，同时也为现代电力 实验教学奠定

17、良好的实验基础。 1.5 电路的构成及工作特点 1.第一段控制 a2x2-VT1 VT2 VD1 VD2 工作，这样会使大桥调压晶闸管的控制角 1，VT3VT6 晶 闸管封锁，也就是第二段桥晶闸管的控制角 2 和第三段桥晶闸管的控制角 3 均 为 达到最大值。这是后电流流过的路径是 a2VD1PKMVD4VD3VT2x2 整流输出电压的平均值为 U=1/2Ud(1+cos) 当 = 时；Ud=0 当 =0 时；Ud=0.9U 2.第二段控制 第一章 版空前式整流电路的借口与分析 - 7 - 2.维持 VT1，VT2 满开放 =0，a4b4VT3 VT4 VD3 VD4 四臂小桥调压 VT5,V

18、T6 封锁 3=。正半周期负载电流流过的路径为 a2VD1PKMVT4b4a4VD3VT2x2.此时输出电压 3.Ud=1/8Ud(5+cos) 当 2= 时；Ud=1/2U0 当 2=0 时 Ud=3/4U0 3.第三段控制 3.维持 VT1,VT4 满开放即 1=0，2=0，b4x4VT5 VT6 VD3 VD4 调压桥调压， 负载电流流过三段变压器和三段半控桥。正半周期负载电流过的路径为 a2VD1PKMVT6x4b4a4vd3vt2x2.此时的平均电压值 Ud=1/8Ud0(5+cos) 当 3= 时；Ud=4/3Ud0 当 3=0 时；Ud=Udo 1.5 三段不等分半空桥在点开机车

19、上的应用 三段不等分半控桥整流电路最主要的作用是提高功率因数和抗谐波干扰，采 用相控调压的电力机车其功率因数较低，不仅降低了设备的利用率，而且谐波含 量高，影响了电网的供电质量，对电网造成严重的污染。随着机车单功率的增加 及大功率的电力半导体器件在电力机车上的应用日益广泛提供功率因数减少谐波 干扰已经成为重要课题。之一方法能提高机车的功率因数和降低谐波分量，但段 数过多会使变压器抽头数增多，整流装置复杂，即使是多段桥，其电子控制增加 从移相桥到开关桥；逻辑转换的复杂性，在一定的程度上会降低机车运行的可靠 黑龙江交通职业技术学院毕业设计（论文） - 8 - 性，一般不超过四个。在机车启动时要求电

20、压不能过大，因此利用的三段不等分 半空桥是电压逐级增加使机车完成启动。并且实现无极调速，使机车完成平滑启 动。 1.6 本章小结 介绍了由二极管和晶闸管所组成的三段不等分半控电路的特点及其原理。更 加透彻清晰的了解到了半控电路在电力机车上起到作用的重要性。每一段整整流 调压的原理，其中利用了二极管的诸多特性。半控电路的抗谐波干扰能力以及提 高功率因数都做了简单的介绍。 第 2 章 晶闸管组成的全控桥解析及应用 - 9 - 第 3 章 晶闸管组成的全控桥解析及其应用 2.1 晶闸管特性 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

21、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 普通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，二极管会反向热击穿而损坏。IG=0 时，器件两端施加正向电 压，为正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正 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 转折电压降低导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿 晶闸管本身的压降很小，在 1V 左右导通期间，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。

22、IH 称为维 持电流。晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性晶闸管的门 极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出阴极是晶闸管主电路与控制电路的公 共端门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生 的晶闸管的门极和阴极之间是 PN 结 J3，其伏安特性称为门极伏安特性。为保证 可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发 区。 黑龙江交通职业技术学院毕业设计（论文） - 10 - 2.2 晶闸管的工作原理 晶闸管在工作过程中，它的阳极（A）和阴极（K）与电源和负载连接，组成晶 闸管的主电路，晶闸管的门极 G 和阴极 K 与控制晶闸管的装

23、置连接，组成晶闸 管的控制电路。 1. 晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种 电压，晶闸管都处于反向阻断状态。 2. 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。 这时晶闸管处于正向导通状态，这就是晶闸管的闸流特性，即可控特性。 3. 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸 管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。门极只起触发作用。 4. 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关 断 2.3 晶闸管组成的三相桥式全控电路原理 三相桥式全控整流电路基本工作原理 三相桥式全控整流电路电路主电路结构 如下图 1

24、 所示，其基本工作原理分析如下： 在三相桥式全控整流电路中，对 共阴极组和共阳极组是同时进行控制的，控制角都是 。由于三相桥式整流电路 是两组三相半波电路的串联，因此整流电压为三相半波时的两倍。很显然在输出 电压相同的情况下，三相桥式晶闸管要求的最大反向电压，可比三相半波线路中 的晶闸管低一半为了分析方便，使三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是 1-2-3- 4-5-6，晶闸管是这样编号的：晶闸管 KP1 和 KP4 接 a 相，晶闸管 KP3 和 KP6 接 b 相，晶管 KP5 和 KP2 接 c 相晶闸管 KP1、KP3、KP5 组成共阴极组，而晶闸管 KP2、KP4、KP6 组成共阳极组

25、。 为了搞清楚 变化时各晶闸管的导通规律，分 析输出波形的变化规则，下面研究几个特殊控制角，先分析 =0 的情况，也就 是在自然换相点触发换相时的情况。 为了分析方便起见，把一个周期等分 6 段 第 2 章 晶闸管组成的全控桥解析及应用 - 11 - 第（1）段期间，a 相电压最高，而共阴极组的晶闸管 KP1 被触发导通，b 相电位 最低，所以供阳极组的晶闸管 KP6 被触发导通。这时电流由 a 相经 KP1 流向负载， 再经 KP6 流入 b 相。变压器 a、b 两相工作，共阴极组的 a 相电流为正，共阳极 组的 b 相电流为负。加在负 载上的整流电压为 ud=ua-ub=uab 经过 60

26、后进 入第(2)段时期。这时 a 相电位仍然最高，晶闸管 KPl 继续导通，但是 c 相电位 却变成最低，当经过自然换相点时触发 c 相晶闸管 KP2，电流即从 b 相换到 c 相， KP6 承受反向电压而关断。这时电流由 a 相流出经 KPl、负载、KP2 流回电源 c 相。 变压器 a、c 两相工作。这时 a 相电流为正，c 相电流为负。在负载上的电压为 ud=ua-uc=uac 再经过 60，进入第(3)段时期。这时 b 相电位最高，共阴极组在经过自然换相 点时，触发导通晶闸管 KP3，电流即从 a 相换到 b 相，c 相晶闸管 KP2 因电位仍 然最低而继续导通。此时变压器 bc 两相

27、工作，在负载上的电压为 ud=ub-uc=ubc 以此类推。 2.4 机车实现再生制动 再生制动在电力机车、有轨电车、无轨电车及纯电动或混合动力汽车上常见。 电力机车、有轨电车、无轨电车通常是把产生的电能输回接触网，而汽车则可能 把电能储在飞轮、电池或电容器之内。传统的的动力制动则会把电能在电阻转成 热能后逸散。 最普通的制动方法会把车的动能，以摩擦直接转化成热能。 “再生制动”和 另一种原理接近，但较为简单的“动力制动”(Dynamic Braking)，则是把电动 机转成发电机使用，把车辆的动能转成电能。动力制动通常只会把产生的电，经 过电阻转成无用的热放走。而再生制动则会把电力储起来或透

28、过电网送走，再生 循环使用。使用再生制动的车辆仍然会有传统的摩擦制动，提供快速、强力的制 动。一般的再生制动只会把约 30%的动能再生使用，其余的动能还是成为热。这 效率根据不同的使用环境而有所不同。 将牵引电机的电动机工况转变为发电机工况，将列出动能转化为电能，电能 通过转换电器和受电弓反馈给供电触网，可提供给相邻运行的列车使用的制动方 式。 黑龙江交通职业技术学院毕业设计（论文） - 12 - 2.5 本章小结 介绍了晶闸管的单行导电性放大特性，其组成的三相全控整流电路的基本原 理。利用晶闸管单向导电的可控性，把交流电整流成电压可调的直流电。这种可 调的直流电源，广泛地应用于电解，电镀，充

29、电，励磁，及合闸操作电源等领域。 另一个主要用这是做成直流拖动的调速装置。以往对于要求调速或起制动性能较 高的拖动装置，一般均采用电动机发电机变流机组来得到可控直流电压，以实现 控制要求。晶闸管问世以后，静止的可控整流装置，以它一系列的优点代替了机 组，并可得到更佳的静态及动态指标。在海上石油钻井平台，目前从电动机，到 各中小型辅助机械的直流电动机中，均采用晶闸管供电或励磁的调速装置。 以及在全控电路上的应用，机车再生制动的原理实现了电能的在此利用，节 约能源。 第 3 章 IGBT 的原理及应用 - 13 - 第 4 章 IGBT 的原理及其应用 3.1.IGBT 的基本介绍 IGBT(In

30、sulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型功率管，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电力 电子器件, 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. 3.2.IGBT 的结构点 如图所示为一个 N 沟

31、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（即发射极 E） 。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（即门极 G） 。沟道在紧靠栅区边界形成。在 C、E 两极之 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 （Subchannel region） 。而在漏区另一侧的 P+区称为漏注入区（Drain injector） ，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 黑龙江交通职业技术学院毕业设计（论文） - 14 - 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

32、电压。 附于漏注入区上的电极称为漏极（即集电极 C） 。 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 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

33、)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 3.3.IGBT 两种工作状态 1 静态特性 IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT 的伏安特性是指以栅源电压 Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之 间的关系曲线。输出漏极电流比

34、受栅源电压 Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。 它与 GTR 的输出特性相似也可分为饱和区 1 、放大区 2 和击穿特性 3 部分。 在截止状态下的 IGBT ，正向电压由 J2 结承担，反向电压由 J1 结承担。如果无 N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入 N+缓冲区后，反向关断 电压只能达到几十伏水平，因此限制了 IGBT 的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流 Id 与栅源电压 Ugs 之间的关系曲线。 它与 MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压 Ugs(th) 时，IGBT 处 于关断状态。在 IGBT 导通后的大部分漏极电流范

35、围内， Id 与 Ugs 呈线性关系。 最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为 15V 左右。 IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时， 由于它的 PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其 B 值极低。尽管等效电路为达林 顿结构，但流过 MOSFET 的电流成为 IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压 Uds(on) 可用下式表示 Uds(on) Uj1 Udr IdRoh 第 3 章 IGBT 的原理及应用 - 15 - 式中 Uj1 JI 结的正向电压，其值为 0.7 1V ；Udr 扩展电阻 Rdr 上的压降；Roh 沟道电阻。 通态电流

36、Ids 可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos 式中 Imos 流过 MOSFET 的电流。 由于 N+ 区存在电导调制效应，所以 IGBT 的通态压降小，耐压 1000V 的 IGBT 通态压降为 2 3V 。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。 2 动态特性 IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为 MOSFET 来运行的，只是在漏源电压 Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。 td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流 开通时间 ton 即为 td (on) tri 之和。漏源电压的下降时间

37、由 tfe1 和 tfe2 组 成。 IGBT 的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极 电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来 进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为 IGBT 栅极- 发射极阻抗大，故可使用 MOSFET 驱动技术进行触发，不过由于 IGBT 的输入电容较 MOSFET 为大，故 IGBT 的关断偏压应该比许多 MOSFET 驱动电路提 供的偏压更高。 IGBT 在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为 MOSFET 关断后，PNP 晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时

38、间，td(off)为关 断延迟时间，trv 为电压 Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的 下降时间 Tf 由图中的 t(f1)和 t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间 t(off)=td(off)+trv 十 t(f) 式中，td(off)与 trv 之和又称为存储时间。 IGBT 的开关速度低于 MOSFET，但明显高于 GTR。IGBT 在关断时不需要负栅 压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT 的 开启电压约 34V，和 MOSFET 相当。IGBT 导通时的饱和压降比 MOSFET 低而和 GTR 接近，饱和压降随栅极电压的增加而

39、降低。 正式商用的 IGBT 器件的电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子 应用技术发展的需求；高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到 10KV 以上，目前只能通过 IGBT 高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如 瑞士 ABB 公司采用软穿通原则研制出了 8KV 的 IGBT 器件，德国的 EUPEC 生产的 黑龙江交通职业技术学院毕业设计（论文） - 16 - 6500V/600A 高压大功率 IGBT 器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。 与此同时，各大半导体生产厂商不断开发 IGBT 的高耐压、大电流、高速、低饱 和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用 1

40、m 以下制作工艺，研制开发取得 一些新进展。 3.4.IGBT 在电力机车上的应用 IGBT 斩波控制器主要用于防爆特殊型蓄电池电机车，控制机车的前进、后退、 启动、调速、运行及制动 IGBT 斩波控制器的操作面板上安装有调速手柄、换向 开关、灯开关、喇叭按钮。箱体内部安装有换向触头、接触组、数字电压表、霍 尔速度给定器、照明用电源盒及斩波器。调速手柄用于控制机车的启、调速、全 速以及停止，它与换向开关设有互锁装置。换向开关由两组接触组成，完成两台 电动机“0”位、 “向前” “向后”三个工作状态的转换。斩波器由 IGBT、续流二 极管、电解电容、无感电容、 霍尔电流传感器及控制驱动盒电路等组

41、成。霍尔 速度给定器能发出速度给定信号。 3.5.IGBT 保管时的注意事项 1. 一般保存 IGBT 模块的场所，应保持常温常湿状态，不应偏离太大。常温 的规定为 5 35 ，常湿的规定在 4575左右。在冬天特别干燥的地区，需 用加湿机加湿; 2. 尽量远离有腐蚀性气体或灰尘较多的场合； 3. 在温度发 生急剧变化的场所 IGBT 模块表面可能有结露水的现象，因此 IGBT 模块应 放在 温度变化较小的地方； 4. 保管时，须注意不要在 IGBT 模块上堆放重物； 5. 装 IGBT 模块的容器，应选用不带静电的容器。 3.6 本章小结 了解电力机车上 IGBT 的功能极其作用。和它的工作

42、原理。这样更能比较出 电力机车在发展过程中对于新技术应用的重要性。也体会到了 IGBT 的重要性。 第 3 章 IGBT 的原理及应用 - 17 - IGBT 模块具有较多的优良特性使他得到广泛使用和普及，已经应用到电力电子各 个方面。了解它才能好的创新它。 黑龙江交通职业技术学院毕业设计（论文） - 18 - 结结论论 在二极管与晶闸管这些电工电子器件中要是得到合理的运用那就会发挥出非 常大的作用，每个电路有不同的结构特点，他们应用的方向有相同有不同。复杂 程度不同性价比也不同但是唯一的相同点都是人们对知识的掌握对各个电子器件 的了解程度。 不可控整流电路完全由不可控二极管组成，电路结构一定

43、之后其直流整流电 压和交流电源电压值的比是固定不变的。虽然结构简单但是应用局限性较大。 半控整流电路由可控元件和二极管混合组成，在这种电路中，负载电源极性 不能改变，但平均值可以调节。应用较为广泛在机车电路中起到至关重要的作用， 但是随着电路要求的提高半控电路也会更复杂，希望未来可以改进半控电路。 全控电路中实现了机车的再生制动提高了电能的利用率但是利用率比较低， 随着今后的科技发展提搞对在生能源的利用率对人类未来的发展有着重大意义。 IGBT 模块功能强大对电子方面应用广泛，是至今比较成熟的电子设备。但是 IGBT 的存放有些局限性是它的应用范围受到影响，希望在以后的发展中能得到改 进。 参

44、考文献 - 19 - 参参考考文文献献 1模拟电子技术中国铁道出版社，出版时间：2008-02-01 2铁路职业技能鉴定参考丛书出版社 中国铁道出版社出版时间 2008/11/01 3电子技术一点通华南出版社，出版时间 2009.09.06 4韶山 4 型电力机车M。北京，中国铁道出版社.1998 5韶山 8 型电力机车M，北京，中国铁道出版社.1998. 6韶山 7E 型电力机车M，北京，中国铁道出版社 2004 7韶山 9 型电力机车M，北京，中国铁道出版社 2005 8HXD3 型电力机车，北京；中国铁道出版社 2009 9华平，电力机车控制，北京；中国铁道出版社 2010 10中华人民

45、共和国铁道部，北京，中国铁道出版社，2007 11张有松韶山 4 型电力机车，北京，中国铁道出版社，2001 黑龙江交通职业技术学院毕业设计（论文） - 20 - 致致谢谢 感谢我的指导老师对我的悉心教导，这么多天对我细心的帮助，不会或者有 困惑的地方都提出了自己的看法，并且让我自主完成，还有线路老师，电机老师， 在我涉及到不懂的专业知识都对我细心的指导，这三年来学校对我的培养我真心 的感谢，一个论文的完成包含了很多人的帮助，同学们互相探讨，增进了友谊并 且自己的知识面也得到了很大的提高，面对三年的毕业设计，里面凝结了三年所 学到的知识，这篇论文不算出色，但是面对我自己努力的结果，我还是很欣慰的， 觉得这三年没有白白浪费，论述的内容也许没有多么的精妙绝伦，但是希望给学 弟学妹们一点点帮助，最后我感谢老师同学谢谢你们