机车电力电子技术

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1、*机车电力电子技术教案主要内容l 本课程教学大纲l 本课程电子教案*课程编号：机车电力电子技术课程教学大纲学时：（64） 学分：（4）一、教学大纲的说明机车电力电子技术课程教学大纲是教学指导性文件，它是作为工科专科学生学习该课程必须达到的合格要求，是学校制订教学计划和教学内容的依据，也是编写基本教材和进行课程教学质量评估的重要依据。1授课对象：车辆工程专业（电力机车方向），高职三年制学生。2课程性质：机车电力电子技术课程是车辆工程专业（电力机车方向）的一门专业必修课。3任务及要求：通过学习本课程，应使学生掌握电力电子技术理论及其在电力机车上的应用等方面知识，主要学习电力电子器件、相控整流电路、

2、斩波电路与逆变电路、交流调压电路、触发电路与驱动电路、电力机车控制系统单元电路、电力机车控制电源柜、电力机车电子控制柜和微机控制柜、电力机车其他电子电路、电子电路常见故障分析与应急处理等方面知识，培养学生学会综合运用所学知识，分析、设计、解决相关技术问题的能力。 4与其它课程的联系先修课程：电工技术、Visual Basic程序设计、单片机原理及应用等。后修课程：电力机车控制等。二、教学大纲1、课程内容第1章 绪论 电力电子器件的发展；电力电子技术的发展；交流电动机控制技术的发；我国电力机车的发展。第2章 电力电子器件电力电子器件概述；大功率整流二极管；晶闸管；门极关断晶闸管（GTO）；功率晶

3、体管（GTR）；功率MOS场效应晶体管（功率MOSFET）；绝缘栅双极晶体管（IGBT）；MOS控制晶闸管（MCT）；功率集成电路（PIC）；电力电子器件的冷却。第3章 相控整流电路单相半控桥式整流电路；单相全控桥式整流电路；三相半波可控整流电路；三相全控桥整流电路；三相半控桥整流电路。第4章 斩波电路与逆变电路斩波电路；逆变电路；缓冲电路。第5章 交流调压电路概述；晶闸管交流开关；晶闸管单相交流调压电路；晶闸管三相交流调压电路。第6章 触发电路与驱动电路概述；晶闸管触发电路；GTO门极驱动电路；GTR门极驱动电路；功率MOSFET门极驱动电；IGBT驱动与保护技术。第7章 电力机车控制系统单

4、元电路检测单元；控制单元；触发系统元件。第8章 电力机车控制电源柜SS9型电力机车的控制电源柜；HXD3型电力机车的DC 110 V电源装置。第9章 电力机车电子控制柜和微机控制柜SS4改型电力机车电子控制柜；SS8型电力机车微机控制柜；HXD3型电力机车网络控制系统。第10章 电力机车其他电子电路显示诊断装置；劈相机起动电路；列车运行监控记录装置。第11章 电子电路常见故障分析与应急处理检测单元和电源柜的故障判断；SS4改型电力机车电子控制柜常见故障判断及处理；SS9型电力机车微机控制柜的使用维护和常见故障判断及处理；HXD3型电力机车典型故障分析及处理。2、重点与难点 重点：大功率整流二极

5、管；晶闸管；门极关断晶闸管（GTO）；绝缘栅双极晶体管（IGBT）；功率集成电路（PIC）；单相半控桥式整流电路；单相全控桥式整流电路；斩波电路；逆变电路；缓冲电路；晶闸管交流开关；晶闸管单相交流调压电路；晶闸管触发电路；GTO门极驱动电路；IGBT驱动与保护技术；检测单元；控制单元；触发系统元件；SS9型电力机车的控制电源柜；HXD3型电力机车的DC 110 V电源装置；SS4改型电力机车电子控制柜；SS8型电力机车微机控制柜；HXD3型电力机车网络控制系统；显示诊断装置；劈相机起动电路；列车运行监控记录装置；检测单元和电源柜的故障判断；SS4改型电力机车电子控制柜常见故障判断及处理；SS9

6、型电力机车微机控制柜的使用维护和常见故障判断及处理；HXD3型电力机车典型故障分析及处理。难点：晶闸管；门极关断晶闸管（GTO）；绝缘栅双极晶体管（IGBT）；功率集成电路（PIC）；单相半控桥式整流电路；单相全控桥式整流电路；逆变电路；晶闸管单相交流调压电路；控制单元；SS9型电力机车的控制电源柜；HXD3型电力机车的DC 110 V电源装置；SS4改型电力机车电子控制柜；SS8型电力机车微机控制柜；HXD3型电力机车网络控制系统；显示诊断装置；劈相机起动电路；列车运行监控记录装置；检测单元和电源柜的故障判断；SS4改型电力机车电子控制柜常见故障判断及处理；SS9型电力机车微机控制柜的使用维

7、护和常见故障判断及处理；HXD3型电力机车典型故障分析及处理。3实验与实践环节（1）电力电子器件特性测试；（2）单相半控桥式整流电路；（3）三相桥式全控整流电路及有源逆变；（4）直流斩波电路；（5）单相交流调压电路。4学时分配（共64学时）序号主要内容学时分配其中备 注讲授实验习题上机1第1章 绪论安排学生课外自学2第2章 电力电子器件862选择部分内容讲解，其余部分安排课外自学，作为学生知识的拓展3第3章 相控整流电路642选择部分内容讲解，其余部分安排课外自学，作为学生知识的拓展4第4章 斩波电路与逆变电路8625第5章 交流调压电路6426第6章 触发电路与驱动电路66选择部分内容讲解，

8、其余部分安排课外自学，作为学生知识的拓展7第7章 电力机车控制系统单元电路888第8章 电力机车控制电源柜669第9章 电力机车电子控制柜和微机控制柜66选择部分内容讲解，其余部分安排课外自学，作为学生知识的拓展10第10章 电力机车其他电子电路4411第11章 电子电路常见故障分析与应急处理66选择部分内容讲解，其余部分安排课外自学，作为学生知识的拓展合计64568三、教材及主要参考书教材：刘敏军，王秀珍主编机车电力电子技术中国铁道出版社2012年。参考书：李瑞荣主编电力机车电子技术中国铁道出版社2008年。 大纲批准：（主管教学校长） 大纲审定：（主管教学院长） 大纲制定：（执笔教师）*机

9、车电力电子技术电子教案1 概 论1.1 电力电子器件的发展1晶体管2二极管3晶闸管4电力电子器件图1.1电力电子器件家族“树”5电力电子器件种类（1）按器件内部载流子参与导电的种数不同，分三大类：1）单极型器件2）双极型器件3）复合型器件（2）按开通、关断方式不同，分三大类：1）不可控型器件2）半控型器件3）全控型器件6电力电子器件的性能1）双极型器件2）单极型器件3）复合型器件1.2 电力电子技术的发展1直流电动机与异步电动机结构、性能特点比较2电力电子技术的发展（1）整流器时代（2）逆变时代（3）变频时代（4）智能化时代1.3 交流电动机控制技术的发展1矢量控制2直接转矩控制3无速度传感器

10、控制技术4微处理机引入控制系统5其他控制技术1.4 我国电力机车的发展1电气化铁路史2电力机车发展史我国电力机车的发展大体经历了四个阶段：第一阶段起步期第二阶段成长期第三阶段全盛期第四阶段升级换代期复习与思考题1简述电力电子器件、电力电子技术、交流电动机控制技术的发展历程。2简述我国电力机车的发展概况及发展趋势。2 电力电子器件2.1 大功率整流二极管1结构与伏安特性（1）结构目前大功率的整流二极管，外形结构与晶闸管相似，可分为螺旋式和平板式，而平板式又分为风冷式和水冷式。二极管仅有阳极A与阴极K。螺旋式二极管的阳极紧栓在铝制散热器上。（2）伏安特性图2.1 大功率二极管伏安特性2主要参数（1

11、）额定正向平均电流ID（AV）（2）反向重复峰值电压URRM（3）正向平均电压UD（AV）3型号及选择的原则（1）型号（2）选择原则选择ID（AV）的原则： IDn=1.57ID(AV)=(1.52)IDmaxID(AV)=(1.52)IDmax/1.57选择URRM的原则： URRM=(23)UDmax选择UD（AV）的原则：根据设计要求，选取所规定的相应系列组别。除特殊要求外，容量在100 A以下通常不考虑管压降组别。管压降愈小，元件发热与损耗也越小，相应价格就越高。此外，大功率二极管在使用中应注意的事项与下节要介绍的晶闸管相同。2.6 绝缘栅双极晶体管（IGBT）绝缘栅双极晶体管（Iso

12、loted Gate Bipolar TransistorIGBT）。由于IGBT内具有寄生晶体管，所以也可称作绝缘门极晶闸管。由于它将MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又有通态电压低、耐压高的优点，因此发展快，倍受欢迎，在电极驱动、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域，IGBT有着主导地位，并有取代GTR的趋势。2.7 MOS控制晶闸管（MCT）MOS控制晶闸管(MCT)是一种新的功率器件。顾名思义，它是通过MOS门极开关控制晶闸管的。MCT驱动功率小，开关频率与IGBT相近，而且不存在二次击穿的问题。它工作于超擎住状态，是一个

13、真正的PNPN器件。这也就是MCT的通态电阻大大低于一般场效应器件的主要原因。MCT将晶闸管容量大、正向电压低的优点与MOSFET的高输入阻抗、小驱动功率、开关速度快的特性结合在一起，构成大功率、快速的全控型电力电子新器件。有可能取代SCR、GTO、IGBT，应用于高频大功率领域。2.7.1 MCT的结构原理及工作特性1基本结构图2.38 MCT的基本结构（a）PMCT；（b）NMCT2工作原理。图2.39所示为MCT等效电路及符号。当门极相对于阳极加负脉冲电压时，VT2导通，漏极电流使NPN晶体管VT3导通，VT3的集电极电流（电子）使VT4导通，而VT4的集电极电流（空穴）又反过来维持VT

14、3的导通。通过SCR的正反馈作用，MCT导通。图2.39 MCT等效电路及符号（a）P-MCT结构及等效电路；（b）N-MCT结构及等效电路当门极相对于阳极加正电压时，VT1导通，VT4截止，破坏了SCR的擎住条件，从而使MCT关断。3参数定义由于MCT是一种新器件，所以许多参数要重新定义：（1）击穿电压。没有触发时MCT连续承受的最大电压。（2）正向压降。150 时额定峰值电流下的正向压降。（3）结温。在标准的塑料外壳场合规定为150 。4电压和电流目前已有100 A/1 000 V、du/dt=20 000 V/s、di/dt=20 000 A/s、toff的产品，研制水平已高达3 000

15、 V。目前产品的电流为500 A1 000 A。提高电流的主要手段是增加芯片尺寸和最佳设立。迄今0.4 cm2芯片（有效区）可关断200 A电流（150 ），在一光控模块中，几个芯片并联已可关断600 A以上的电流。由于MCT是用DMOSFET工艺制得，所以芯片尺寸不能无限制地增大，因此更大电流的MCT期望由多芯片并联而成。初步实验发现，在12个芯片并联模块中，电流分布的平均性在10% 之内。还发现器件的的电流基本上不受通态损耗发热的限制，而受高温、峰值电流的限制。通过OFF-FET沟道密度的几何图形设计，可控制电流容量。5开关速度MCT的开通延迟时间和开通电流上升时间非常快。对许多带ONFE

16、T的单胞，如果不受门极驱动上升时间的限制，开通时间约为一个基区渡越时间（数十纳秒），用这种设计，MCT达到最终的通态电压，基本上不存在di/dt的限制。6工作温度MCT的工作温度范围为200 300 ，由于反相漏电缘故（每隔10 或12 增大一倍），实际的温度上限为250 270 。7安全工作区（SOA）图2.40为MCT在没有吸收回路时的安全工作区（150 ）。它与外壳、散热器、电流和工作周期由关。当工作电压超过SOA范围时，MCT可能会被损坏；而当峰值可控电流超过SOA时MCT不会像其他大部分功率开关那样损坏，而只是不能用门极关断而已，因此MCT的短路保护相当简单，只需熔断丝之类即可。2.

17、7.2 MCT与其他器件的比较表2.1 各种全控型电力半导体器件的比较器件参数GTRMOSFETIGBTGTOMCT连续电流密度A/cm2804013016075150150200峰值电流密度A/cm2120160100200400150 300关断功率密度kVA/cm260200120101545正向损耗：U(V)额定电流时10%额定电流时2.01.2570.50.73.51.81.82.511.51.20.7开关损耗导通时间s关断时间s1.02.00.10.10.150.350.52.00.42.00.141.2击穿电压V5005005001200275关断SOA较好好较好差差成本较低较高

18、中最高最低500V器件；测量值；无吸收回路运行；预测值。通过上述比较可得出MCT优点：（1）电压、电流容量大（击穿电压3 000 V，峰值电流1000A，最大关断电流密度6 000 A/cm2）。（2）通态压降小（为IGBT的1/3，约1.1 V）。（3）有极高di/dt（20 000 A/s ）的及du/dt（20 000 V/s ）。（4）开关速度快，开关损耗小（开通时间200 ns，可在于2s时间内关断1 000 V电压）。（5）工作温度高，在200 以上。（6）对恒定的电容值，MCT无密勒效应，因而可大大简化门极驱动设计，增加门极驱动的可靠性。（7）即使关断失效，MCT也不会损坏。2.

19、8 功率集成电路（PIC）功率集成电路PIC（Power-IC）包括高压功率集成电路（HVIC）、智能功率集成电压（Smart Power-IC）和功率专用集成电路，简称SPIC，也有人认为SPIC属于HVIC，1981年美国试制出第一个PIC。HVIC可达到500 V/600 mA，用于平板发光显示驱动装置和长途电话的功率变换装置。SIC水平为110 V/13 A及500 V/0.5 A，用于电动机的驱动。目前单片电路中最高水平击穿电压1 200 V输出电流40 A。最近出现的智能功率模块IPM在20 kHz高频程序下可承受AC200 V/400 V电压、最大容量可达55 kW。从电压、电流

20、来看，PIC可分为三个领域：（1）低压大电流PIC，主要用于汽车点火、开关电源和同步发电机等。（2）高压小电流PIC，主要用于平板显示、交换机等。（3）高压大电流PIC，主要用于交流电机控制、家用电器等。PIC是电力半导体技术与微电子技术结合的产物，其根本特征是使动力与信息结合，成为机和电的接口，是机电一体化的基础元件。2.8.1 PIC技术将输出的功率器件及其驱动电路、保护电路和接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，就称作功率集成电路，也称作智能功率集成电路。图2.43为功率集成电路的典型构成。1PIC的分类与发展2SPIC的基本功能3SPIC的开发和应用2.8.2 智能功率模块(IPM

21、)智能功率模块（IPM）又称智能集成电路，是电力集成电路的一种。IPM是以IGBT为基本功率开关元件，构成一相或三相逆变器的专用功能模块，尤其适合于电动机变频调速装置的需要。图2.45为IPM模块内部结构图。图2.45 采用IPM制作的逆变器框图2.9 电力电子器件的冷却与保护2.9.1 电力电子器件的冷却2.9.1.1 冷却的重要性除了电学性能外，电力电子器件的热学特性和参数也同样重要，为了保证电力电子器件的正常运行，冷却是不可缺少的。作为电力电子器件核心的PN结，性能与温度密切相关，结温过高，会使PN结特性退化或丧失，导致器件的许多特性和参数发生变化，甚至使器件永久烧坏，与最高允许结温Tj

22、m相对应，规定了器件的最大允许耗散功率。电力电子器件必须限制最高结温才能正常工作，一般情况下，整流管结温不超过150 ，GTO不超过125 ，GTR不超过150 ，功率MOSFET不超过150 ，所以必须采取冷却措施。电力机车的主电路和辅助电源回路广泛采用了大功率的电力电子器件，冷却措施也更加重要。1结温与GTO特性的关系图2.48 开关特性与温度的关系曲线图2.47 阳极平均电流与结温相互关系曲线图2.46 PN结热击穿效应示意图2结温与GTR特性的关系3结温与MOSFET特性的关系2.9.1.2 散热原理散热途径有热传导、热辐射和热对流三种方式。电力电子器件通过电流时产生的热量使管芯发热、

23、结温升高。管芯发热后一般通过热 传导方式向周围散热。1稳态热路图与热阻管芯内温度最高的部位在PN结上。热量从PN结通过管壳、散热器传至环境介质中。当管芯上每秒消耗功率产生的热量与每秒散发出去的热量相等时，管芯的温度就达到稳定状态，结温不再升高。根据器件内热量的传导过程可以画出等效热路图，以GTO为例的稳态等效热路图如图2.49所示。图2.49 稳态等效热路图热路图与电路图很相似。功率P相当于热流，与电流类似；温升T与电压相似；热阻R与电阻相似。功耗、温升和热阻之间的关系和欧姆定律相似。即P=T/R （2.22）式中 P恒定耗散功率，W； T两端温差，T=TjTa；Tj、Ta分别代表结温和环境温

24、度；R结至环境介质的热阻，/ W。器件散热时的总热阻R由以下几部分组成：PN结至外壳的热阻Rje、外壳至散热器的热阻Rcs以及散热器至环境介质的热阻Rsa，其中Rje也称内热阻，其他两项称为外热阻。器件总热阻R为R=Rje+Rcs+Rsa （2.23）2瞬态热路图和瞬态热阻抗由于器件具有热容量，升温或降温都有一个瞬态过程，像支流电路中的瞬态过程一样，可以用瞬态热路图来分析。图2.50为恒定耗散功率作用下物体升温过程的示意图及其相应的瞬态热路图。图2.50 恒定耗散功率下物体的升温过程（a）升温过程示意图；（b）升温过程舜态热路图由图可知，升温过程中，温升T的变化规律可用指数曲线来描绘，其方程为

25、 T= TJM（1e-t/T） （2.24） TJM=PR T=RCZ= RQ（1e-t/T） （2.25）瞬态热阻随通电的时间变化，常用曲线来表示，因此瞬态热阻抗又称热阻抗曲线。器件或散热器给出的曲线由实测法而得。图2.51给出了电子器件用相对值r（tp）表示的热阻抗曲线。r（tp）可用下式表示： r（tp）=Z（tp，）/ Rjc （2.26）式中 Rjc器件的PN结至外壳的稳态热阻。由图可知，热阻抗是起讲导通时间tp和负载功率占空比的函数。占空比定义为：= tp /T式中 T器件的导通时间tp与关断时间toff之和。也就是说，不同的功率导通脉宽和不同的占空比对应着不同的r（tp），进而有

26、不同的热阻抗值。在给定tp和可查得Z（tp，），于是可的出在峰值耗散功率PP时的温升为 TJMTC=PP Z（tp，） （2.27）式中 TJM器件的最高运行结温；TC器件的壳温。3热阻和瞬态热阻抗的应用电力电子自关断器件多使用于开关状态，其工作波形一般为方波，确定器件最高结温时必须考虑工作频率、负载电流占空比以及方波脉冲的宽度。具体示例如图2.52所示。图2.52（a）为低频工作时的方波脉冲列，其工作频率为20Hz，脉冲宽度tp =10 ms，占空比=0.2，峰值功率为100 W，在这种条件下，结温的波形很大，设计者需要考核的是器件最高结温，而不是平均结温。这时要用瞬态热阻抗的概念，而不用热

27、阻的概念。图2.52（b）为高频工作时的方波脉冲列，占空比=0.2，峰值功率仍为100 W，但工作频率提高到200 Hz，脉冲宽度为1 ms，在这种情况下，结温的波动已大为减小，这是由于器件热惯性所致。如果工作频率增加到1kHz，占空比=0.2，结温的波动将更小，峰值结温几乎等于平均结温，这时用稳态热阻的概念即可，不必再用瞬态热阻抗的概念。由此可以看出，对方波脉冲列选用器件及散热器时，要注意工作频率、占空比的变化，并视具体情况而决定用热阻还是用瞬态热阻抗。图2.52 方波脉冲列的温升（a）低频工作时的方波脉冲列；（b）高频工作时的方波脉冲列2.9.1.3 冷却措施对器件的应用者来说，为了限制结

28、温，可在减少热阻方面采用措施，即减少接触热阻Rcs和散热器热阻Rsa。1接触热阻Rcs电力电子器件的正常运行，在很大程度上取决于器件与散热器之间的装配质量。散热器安装台面必须与电力电子器件很好接触，形成良好的导电面和导热面。由于电力电子器件质量、使用条件、外形结构及品种不同，所以散热器的安装形式也各不相同。但是，电力电子器件管壳与散热器之间的温差和接触热阻Rcs值，必须控制在规定数值以下。（1）接触热阻与器件封装形式的关系（2）接触热阻与安装力的关系 图2.53 接触热阻与锁紧力矩的关系曲线 2.54 接触热阻与平板式器件安装压力的关系曲线2散热器热阻Rsa散热器热阻是指从散热器至环境介质的热

29、阻，它与散热器的材质、结构、表面颜色、安装位置以及环境冷却方式等因素有关。图2.55 散热器的典型数据图2.55给出常用散热器的形状及其相关参数对而阻的影响。其中图2.55（a）为散热器截面图；图2.55（b）为黑色表面散热器的长度L与热阻Rsa的关系曲线；图2.55（c）为表面阳极氧化散热器的耗散功率P与温升T在不同长度下的关系曲线；图2.55（d）为黑色时温升T在不同长度下的关系曲线。由图可知，散热器长度增加，热阻Rsa减少，但长度增加到一定程度，热阻Rsa下降很小。散热器表面涂黑比表面阳极化处理后散热效果更好。3散热器的常用冷却方式散热器的常用冷却方式分为四种：自冷、风冷、液冷和沸腾冷却

30、。自冷是通过空气自然对流及辐射作用将热量带走的散热方式。这种方式散热效率很低，但简单、维护方便、噪音小，适用于额定电流较小的器件或简单装置。风冷散热器是自冷散热效率的24倍。图2.56所示为风冷式风速与热阻之间的关系曲线，在装置内部的冷却风速，通常小于6 m/s。城市轨道交通车辆的散热器通常充分利用走行风冷却。水冷散热器的散热效率很高，其对流换热系数等于空气自然换流系数的150倍以上。这种散热器一般适用于电流容量在500 A以上的器件。油冷散热器的散热效率在水冷散热器与风冷散热器之间，冷却介质多用变压器油。图2.56 风速与热阻的关系曲线沸腾冷却将冷却媒质（氟力昂）放在密闭容器中，通过媒质的相

31、变来进行冷却。沸腾冷却装置即热管的冷却效率极高，体积比同容量油冷和自冷装置小得多。2.9.1.4 热管的原理与应用 电力机车的主回路和辅助回路的大功率电力电子器件，已经普遍应用热管作高效的冷却。1热管的工作原理与同样直径的银棒相比，利用沸腾冷却原理的热管，等价热传导率要高5001 000倍，是超级热传导器件。同样大小的铜棒和热管散热效果对比如图2.57所示。热管是先将金属管抽成真空，再将少量工作介质密封，利用液体在管子内壁的沸腾、冷凝及毛细管作用，形成的散热系统。热管的一般工作原理如图2.58所示。当管子的一端加热时，由于管子内部的低压状态，液体在低温下沸腾，产生的蒸汽形成压力波，以音速移动到

32、另一端，冷却、冷凝释放热量。冷凝液通过毛细管作用回到加热端，再次沸腾、蒸发，向冷端运动。这一循环无需外力而反复进行，因此与普通的金属传热相比，热管可以在较小的温差下，快速地带走很多热量。图2.57 同样大小铜棒与热管散热效果对比（a）输入热功率与两端温差；（b）经过时间与上端温度图2.58 绝缘型热管的一般工作原理热管的散热能力受蒸汽的黏性、挥发，液体的沸腾，毛细管现象，动作温度和散热能力等种种限制。在电力电子器件领域应用的热管的散热能力主要受液体的毛细管现象限制。热管的最大散热量与液体的MERIT数Nt成正比。Nt表示工作介质的特性，液体的表面张力、蒸发热容量越大，黏度越小，Nt越大。用于一

33、般电机电器的热管中，水的Nt值最大。考虑电气绝缘，电力机车一般采用电气绝缘性能良好的氟利昂作为工作介质。绝缘型热管抽真空后加入工作介质，为了产生毛细管作用，热管内壁刻有沟槽。热管内部工作介质也是电气绝缘的。半导体元件通电后发热，热管内部的工作介质液体沸腾汽化变为蒸汽，带走元件的热量使元件冷却；而工作介质蒸汽上升，到达散热区，由外界撒气（走行风）冷却、液化、回流，回到吸热区，利用走行风进行冷却，如图2.59所示。2冷却单元半导体元件的冷却利用了绝缘型热管和走行风自然冷却。绝缘型热管的散热器与风扇之间用绝缘子绝缘，元件部分和风扇部分用挡板隔离，散热风扇的通风、冲涮清洗都很方便。为了减少线路电感的影

34、响，缓冲电路和电容都应尽可能安装在GTO模块附近。在最靠近热管根部的挡板安装温度传感器或温度继电器。3工作介质的选择为了安装半导体模块，不仅要考虑容器的大小和尺寸，还要考虑容器内部应用足够的强度。图2.59 利用走行风的冷却工作介质的压强与温度关系曲线如图2.60所示，选定使用温度较低的工作介质“氟利昂”，在工作温度7080 时，压强为98.1196.2 kPa；在10 时，压强为8.83 kPa。因此，包括容器和冷凝器的冷却系统，对气密性要求很高，焊接和使用必须注意。为了保护冷却容器，冷却单元设置了开关，通过容器的外壁检测温度，当超过规定 时端开主回路。并设置了安全阀，可以在最恶劣的情况下泄

35、放压力。2.9.2 电力电子器件的保护图2.60 压强与温度的关系曲线与一般电工产品相比，电力电子器件承受过电压、过电流的能力要弱得多，极短时间的过电压和过电流就会导致器件永久性的损坏。因此电力电子电路中过电压和过电流的保护装置是必不可少的，有时还要采取多种保护措施。 过电压的保护图 2.61 交流侧过电压1. 电源侧过电压的产生 电力电子设备一般都经变压器与交流电网连接，电源变压器的绕组与绕组、绕组与地之间都存在着分布电容，如图 2.61 所示。变压器一般为降压型，即电源电压 u1高于变压器次级电压u2。电源开关S断开时，初、次级绕组均无电压，绕组间分布电容电压也为0，当电源合闸时，由于电容

36、两端电压不能突变，电源电压通过电容加在变压器次级，使得变压器次级电压超出正常值，它所连接的电力电子设备将受到过电压的冲击。 在进行电源拉闸断电时也会造成过电压，在通电的状态将电源开关断开将使激磁电流 从一定的数值迅速下降到0，由于激磁电感的作用，电流的剧烈变化将产生较大的感应电势， 其值为Ldi/dt，在电感一定的情况下，电流的变化率越大，产生的过电压也越大。这个电势的大小与拉闸瞬间电流的数值有关，在正弦电流的最大值时断开电源，产生的di/dt最 大，过电压也就越大。可见，合闸时出现的过电压和拉闸时出现的过电压其产生机理是完全不同的。在电力电子设备的负载电路一般都为电感性，如果在电流较大时突然

37、切除负载，电路中会出现过电压，熔断器的熔断也会产生过电压。另外电力电子器件的换相也会使电流迅速变化，从而产生过电压。上述过电压大都发生在电路正常工作的状态，一般叫做操作过电压。雷电和其它电磁感应源也会在电力电子设备中感应出电势，从而造成过电压。这类过电压发生的时间和幅度的大小都是没有规律的，是难以预测的。 2. 过电压保护措施 （1）阻容保护 过电压的幅度一般都很大，但是其作用时间一般却都很短暂，即过电压的能量并不是很大的。利用电容两端的电压不能突变这一特点，将电容器并联在保护对象的两端，可以达到过电压保护的目的，这种保护方式叫做阻容保护。起保护作用的电容一般都与电阻串联，这样可以在过电压给电

38、容充电的过程中，让电阻消耗过电压的能量，还可以限制过电压时产生的瞬间电流。并且R的接入还能起到阻尼作用，防止保护电容和电路的电感所形、成的寄生振荡。图 2.62为电源侧阻容保护原理图，电容越大，对过电压的吸收作用越明显。 在图2.62中，图（a）为单相阻容保护，阻容电路直接跨接在电源端，吸收电源过电压。 图 2.62（b）为星形三相阻容保护电路，平时电容承受电源相电压， 2.62（c） 为三角形三相阻容保护电路，平时电容承受电源相电压。显然，三角形接线方式电容的耐压要为星形接线的3倍。（a） （b） （c）图 2.62 阻容保护（a）单相阻容保护电路；（b）星形三相阻容保护电路；（c）三角形三

39、相阻容保护电路但是无论哪种接线，对于同一电路，过电压的能量是一样的，电容的储能也应该相同，所以星形接线的电容容量应为三角形的3倍。也就是说两种接线方式电容容量和耐压的乘积是相同的。（2）整流式阻容保护 阻容保护电路的RC 直接接于线路之间，平时支路中就有电流流动，电流流过电阻必然要造成能量的损耗并使电阻发热。为克服这些缺点可采用整流式阻容RC保护电路，其电路如图2.63所示。 经三相交流电经二极管整流桥变为脉动直流电，R1给C充电，电路正常工作无过电压时电容两端保持交流电的峰值电压，而后整流桥仅给电容回路提供微弱的电流，以补充电容放电所损失的电荷。由于与C并联的R2 阻值很大，电容的放电非常慢

40、，因此整流桥输出的电流也非常小。一旦出现过电压，过电压的能量被电容吸收，电容的容量足够大，可以保证此时电容电压的数值在允许范围之内，从而也使交流电压不超过规定值。过电压消失后，电容经R2放电使两端电压恢复到交流电正常时的峰值。由此可以看出，R2越大整个电路的功耗越小，但过电压过后电容电压恢复到正常值的时间也越长， 因此大小受到两次过电压时间最小间隔的限制。 （3）非线性元件保护 图2.63 整流式阻容保护电路常用的非线性保护元件有压敏电阻和硒堆，它们的共同特点是其两端所加电压的绝对值小于一定数值时元件的电流很小，外加电压一旦上升到某一定的数值，就会发生类似于稳压管的击穿现象，元件的电流会迅速增

41、大而元件两端的电压保持基本不变，这一电压叫做击穿电压。压敏电阻的伏安特性如图 2.64所示。利用这一特性，将非线性保护元件并联在要保护的电路的两端，就会将此处的电压限制在元件击穿电压的电压范围之内。图2.64 压敏电阻的伏安特性2.9.2.1 过电流的保护 电力电子电路中的电流瞬时值超过设计的最大允许值，即为过电流。过电流有过载和短路两种情况。常用的过电流保护措施如图2.65 所示。一台电力电子设备可选用其中的几种保护措施。针对某种电力电子器件，可能有些保护措施是有效的而另一些是无效的或不合适的，在选用时应特别注意。 图 2.65 过电流保护交流断路器保护是通过电流互感器获取交流回路的电流值，

42、然后来控制交流电流继电 器，当交流电流超过整定值时，过流继电器动作使得与交流电源连接的交流断路器断开，切除故障电流。应当注意过流继电器的整定值一般要小于电力电子器件所允许的最大电流瞬时值，否则会造成电流达到了器件的最大电流过流继电器才动作，由于器件耐受过电流的时间极短，在继电器和断路器动作期间电力电子器件可能就已经损坏。来自电流互感器的信号还可作用于驱动电路，当电流超过整定值时，将所有驱动信号的输出封锁，全控型器件会由于得不到驱动信号而立即阻断，过电流随之消失；半控型器件晶闸管在封锁住触发脉冲后，未导通的晶闸管不再导通，而已导通的晶闸管由于电感的储能器件不会立即关断，但经一定的时间后，电流衰减

43、到0，器件关断。这种保护方式由电子电路来实现，又叫做电子保护。与断路器保护类似，电子保护的电流整定值也一般应该小于器件所能承受的电流最大值。快速熔断器保护一般作为最后一级保护措施，与其它保护措施配合使用。根据电路的不同要求，快速熔断器可以接在交流电源侧（三相电源的每一相串接一个快速熔断器），也可以接在负载侧，还可以在电路中的每一个电力电子器件都与一个快速熔断器串联。接法不同，保护效果也有差异。熔断器保护分为两种：对过载和短路过电流进行“全保护”与仅对短路电流起作用的短路保护。撬杠保护多应用于大型的电力电子设备，电路中电流检测、电子保护都是必需的，同时还要在交流电源侧加一个大容量的晶闸管。其保护

44、原理如下：当检测到的电流信号超过整定值时，触发保护用的晶闸管，用以旁路短路电流，晶闸管支路中可接一个小电感用以限制di/dt；驱动电路开通主电路中的所有电力电子器件，以分散短路能量，让所有器件分 担短路电流；使交流断路器断开，切断短路能量的来源。经一段时间的衰减短路能量消失，起到保护作用。 复习与思考题1概述电力电子器件的应用场合。2电力电子器件有哪些基本类型？其特点和发展趋势如何？3使用简单的直接并联或串联晶闸管会出现什么问题？应如何解决？4说明GTO的工作原理及其可以关断的原因。5电力电子开关器件为什么必须设置缓冲电路，缓冲电路有哪些类型？6说明IGBT的实际等效电路及其擎住效应。7与半控型开关器件相比，全控型开关器件在性能和使用上有哪些优点？8画出MCT的等效电路，说明MCT有哪些性能特点。9简述电力电子器件的冷却和保护方法。