【正文】 ic traction drive system gradually took the place of early DC traction drive system, in the city rail transportation has been applied extensively, bee the orbit traffic to achieve high speed and heavy haul transportation only option and the main direction of development. The AC drive control system of city rail electric traction drive control is a core ponent of the system, is the city rail train in the central nervous system. Through the analysis of urban rail vehicle traction control system structure and principle, to grasp the mon breakdown processing method has a very important practical significance. The main topic of city railway vehicle AC drive control system in electric traction ponents and each ponent is the main function principle, train work control system is introduced as well as the mon AC drive control technology, analyzes the mon faults and emergency treatment method. And look forward to direction of AC drive technology of China39。s urban rail vehicle equipment manufacturing industry development prospect. Ke y words: Urban rail vehicle Electric traction AC drive Control system Troubleshooting 9 第一章： MOSFET、 IGBT 電力晶體管 電力晶體管： 電力晶體管按英文 Giant Transistor 直譯為巨型晶體管Giant Transistor—— GTR，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（ Bipolar Junction Transistor— BJT），所以有時也稱為 Power BJT；其特性有：耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，但驅(qū)動電路復(fù)雜，驅(qū)動功率大； GTR和普通雙極結(jié)型晶體管的工作原理是一樣的。 電力晶體管的工作原理： 截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。 P基區(qū)與 N漂移區(qū)之間形成的 PN 結(jié) J1 反偏，漏源極之間無電流流過。 導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓 UGS，柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面 P 區(qū)中的空穴推開，而將 P 區(qū)中的少子 — 電子吸引到柵極下面的 P 區(qū)表面 當(dāng) UGS 大于 UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下 P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使 P型半導(dǎo)體反型成 N型而成為反型層，該反型層形成 N溝道而使 PN 結(jié) J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。 MOSFET電力晶體管 MOSFET晶體管的結(jié)構(gòu) （ 1） MOSFET 的種類 按導(dǎo)電溝道可分為 P溝道和 N溝道 耗盡型：當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。 增強(qiáng)型：對于 N（ P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道，電力 MOSFET 主要是 N溝道增強(qiáng)型。 （ 2）電力 MOSFET 的結(jié)構(gòu) 10 圖 11 電力 MOSFET 的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 導(dǎo)電機(jī)理與小功率 MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大的區(qū)別 ， 采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同的設(shè)計。小功率 MOS 管是橫向?qū)щ娖骷? 電力 MOSFET 大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為 VMOSFET(Vertical MOSFET)。 電力 MOSFET 的特點(diǎn)是單極型晶體管（只有一種載流子參與導(dǎo)電） 。 優(yōu)點(diǎn) —— 用柵極電壓來控制漏極電流 ： 驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于 GTR。缺點(diǎn) —— 電流容量小，耐性低，一般只適用于功率不超過 10KW 的電力電子裝置。 MOSFET 晶體管的工作原理 MOSFET 的原意是： MOS（ Metal Oxide Semiconductor 金屬氧化物半導(dǎo)體），F(xiàn)ET（ Field Effect Transistor 場效應(yīng)晶體管），即以金屬層（ M）的柵極隔著氧化層（ O）利用電場的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體（ S）的場效應(yīng)晶體管。 功率場效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型 中的 MOS型（ Metal Oxide Semiconductor FET），簡稱功率 MOSFET（ Power MOSFET）。結(jié)型功率場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（ Static Induction Transistor—— SIT）。其特點(diǎn)是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)于 GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過 10kW 的電力電子裝置。 IGBT 電力晶體管 IGBT 電力晶體管的結(jié)構(gòu) ： 柵極 G、集電極 C 和發(fā)射極 E 11 圖 12 為內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 IGBT 的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號 IGBT 的結(jié)構(gòu)： 簡化等效電路表明， IGBT 是 GTR與 MOSFET 組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個由 MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū) PNP 晶體管， RN為晶體管基本區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 IGBT電力晶體管的工作原理 采用 IGBT 逆變電源 技術(shù)交流→直流→交流→直流， 50Hz 交流電 經(jīng)全橋整流變成直流，由 IGBT 組成的 PWM 高頻交換部分將直流電逆變成 20Hz 的高頻 矩形波 ，經(jīng)非晶 高頻變壓器 耦合、整流濾波后形成穩(wěn)定的 直流電源 。數(shù)字微處理器作為 脈沖寬度調(diào)制 （ PWM）的相關(guān)控制器通過對功率自動補(bǔ)償跟蹤控制，對輸出電流、電壓做多參數(shù)、多信息提取與分析，達(dá)到提前對輸出補(bǔ)償和調(diào)整，使輸出的電流、電壓始終處于飽和狀態(tài)，解決了以往線繞 變壓器 ，因電流、 電壓不穩(wěn)定 ，輸出功率不足的難題。 N溝型的 IGBT 工作是通過柵極－發(fā)射極間加閥值電壓 VTH以上的（正）電壓，在柵極電極正下方的 p 層上形成反型層（溝道），開始從發(fā)射極電極下的 n層注入電子。該電子為 p+np 晶體管的少數(shù)載流子，從集電極襯底 p+層開始流入空穴，進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制（雙極工作），所以可以降低集電極－發(fā)射極間飽和電壓。工作時的等效電路如圖 1（ b）所示， IGBT 的符號如圖 1（ c）所示。在發(fā)射極電極側(cè)形成 n+pn－寄生晶體管。若 n+pn－寄生晶體管工作，又變成 p+n－ pn+晶閘管。電流繼續(xù)流動，直到輸出側(cè)停止供給電流。通過輸出信號已不能進(jìn)行控制。一般將這種狀態(tài)稱為閉鎖狀態(tài)。 為了抑制 n+pn寄生晶體管的工作 IGBT 采用盡量縮小 p+np 晶體管的電流放大系數(shù)α作為解決閉鎖的措施。具體地來說， p+np的電流放大系數(shù)α設(shè)計為 以下。 IGBT 的閉鎖電流 IL為額定電流（直流）的 3 倍以上。 IGBT 的驅(qū)動原理與電力 MOSFET 基本相同，通斷由柵射極電壓 uGE決定。 12 (1)導(dǎo)通 IGBT 硅片的結(jié)構(gòu)與功率 MOSFET 的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是IGBT 增加了 P+ 基片和一個 N+ 緩沖層（ NP 非穿通 IGBT 技術(shù)沒有增加這個部分），其中一個 MOSFET 驅(qū)動兩個雙極器件。基片的應(yīng)用在管體的 P+和 N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個 J1 結(jié)。當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演 P基區(qū)時，一個 N溝道形成，同時出現(xiàn)一個電子流，并完全按照功率 MOSFET 的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個電子流產(chǎn)生的電壓在 范圍內(nèi)，那么， J1將處于正向偏壓，一些空穴注入 N區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結(jié)果是，在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€電子流 (MOSFET 電流 )；空穴電流（雙極）。 uGE 大于開啟電壓 UGE(th)時， MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流， IGBT 導(dǎo)通。 (2)導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻 RN減小，使通態(tài)壓降小。 (3)關(guān)斷 當(dāng)在柵極施加一個負(fù)偏壓或柵壓低于門 限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入 N區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果 MOSFET 電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因?yàn)閾Q向開始后，在 N 層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子（少子）。這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關(guān)斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)?，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導(dǎo)通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問題更加明顯。 鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的溫度、 IC 和 VCE 密切相關(guān)的空 穴移動性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達(dá)到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計上的電流的不理想效應(yīng)是可行的，尾流特性與 VCE、 IC和 TC有關(guān)。 柵射極間施加反壓或不加信號時， MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷， IGBT 關(guān)斷。 (4)反向阻斷 當(dāng)集電極被施加一個反向電壓時， J1 就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向 N區(qū)擴(kuò)展。因過多地降低這個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，所以，這個機(jī)制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個區(qū)域尺寸，就會連續(xù)地提高壓降。 (5)正向阻斷 當(dāng)柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個正電壓時，P/NJ3 結(jié)受反向電壓控制。此時，仍然是由 N漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。 (6)閂鎖 IGBT 在集電極與發(fā)射極之間有一個寄生 PNPN 晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器件會導(dǎo)通。這種現(xiàn)象會使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對等效 MOSFET 的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)象被13 稱為 IGBT 閂鎖，具體地說，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。通常情況下，靜態(tài)和動態(tài)閂鎖有如下主要區(qū)別： 當(dāng)晶閘管全部導(dǎo)通時，靜態(tài)閂鎖出現(xiàn) 。 只在關(guān)斷時才會出現(xiàn)動態(tài)閂鎖。這一特殊現(xiàn)象嚴(yán)重地限制了安全操作區(qū)。為防止寄生 NPN 和 PNP 晶體管的有害現(xiàn)象，有必要采取以下措施：一是防止 NPN 部分接通，分別改變布局和摻雜級別。二是降低 NPN 和 PNP晶體管的總電流增益。 此外，閂鎖電流對 PNP 和 NPN 器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結(jié)溫的關(guān)系也非常密切；在結(jié)溫和增益提高的情況下， P基區(qū)的電阻率會升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為 1： 5。 IGBT 的應(yīng)用 IGBT 在以變頻器及各類電源為代表的電力電子裝置中得到了廣泛應(yīng)用。IGBT 集雙極型功率晶體管和功率 MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、控制電路簡單、開關(guān)損耗小、通斷速度快和工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)。但是， IGBT 和其它電力電子器件一樣，其應(yīng)用還依賴于電路條件和開關(guān)環(huán)境。因此， IGBT 的驅(qū)動和保護(hù)電路是電路設(shè)計的難點(diǎn)和重點(diǎn)，是整個裝置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 為解決 IGBT 的可靠驅(qū)動問題，國外各 IGBT 生產(chǎn)廠家或從事 IGBT 應(yīng)用的企業(yè)開發(fā)出了眾多的 IGBT 驅(qū)動集成電路或模塊，如國內(nèi)常用的日本富士公司生 產(chǎn)的 EXB8系列，三菱電機(jī)公司生產(chǎn)的 M579系列，美國 IR公司生產(chǎn)的 IR21系列等。但是， EXB8 系列、 M579 系列和 IR21 系列沒有軟件關(guān)斷和電源電壓欠電壓保護(hù)功能，而惠普生產(chǎn)的 HCLP316J 有過流保護(hù)、欠壓保護(hù)和 IGBT 軟關(guān)斷的功能，且價格相對便宜。 14 第二章：逆變器 逆變器 逆變電路的基本原理 (1)逆變概念：將直流電路轉(zhuǎn)換為交流電的過程。 無源逆變 —— 把直流電逆變?yōu)槟骋活l率的交流電供給負(fù)載； 有源逆變 —— 把直流電逆變?yōu)榻涣麟姺此偷诫娋W(wǎng)（或交流源）。 (2)主要應(yīng)用： 各種直流電源的能源使用，如蓄電池、干電池、太陽能電池等； 交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的部分。 (3)典型逆變電路： 由 S1