交流新兵:功率晶体管

本文根据法国《电气综论》(RGE)及日本《富士时报》的有关文章,介绍目前国外研制和应用功率晶体管的一些新动向。文中谈到功率晶体管与可控硅的比较和功率晶体管应用的某些基础技术。一、前言随着电子技术的进步,晶体管的集电极电流已达到数十安培,甚至超过一百安培。这种变化引起日本、欧洲的注意。他们认为,目前还处于摇蓝状态的功率晶体管终将进入静止变流技术领域,成为一个强有力的竞争者。因     

HXD3型电力机车主牵引变流器中IGBT的故障分析及技术措施

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)集场效应管(MOSFET)和大功率晶体管(GTR)的优点十一体,因此,在变流领域中得到了广泛的应用.文中介绍了 IGBT的工作原理和其在HXD3型电力机车主牵引变流器(CI)中的应用,并分析IGBT模块的损坏机理、失效原因,给出了防止故障的技术措施.     

结构上胜过传统IGBT的CSTBT

采用薄穿通(LPT)垂直结构的载流子贮存挖槽栅双极型晶体管(CSTBT)是一种新型的功率器件.与IGBT相比,其结构得到了改进,具有功耗更低、更耐用等优点,是工业功率变流应用最佳的功率器件.     

问与答

答：（1）IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是功率MOSFET 技术的派生器件。它结合了双极结型晶体管（BJT）的低导通损耗和功率MOSFET的高开关速度的特点,是一种电压控制型器件。与晶闸管相比，IGBT速度更快，dv/dt抗干扰和栅极关断能力更好。当某些晶闸管例如GTO由门极关断时，要求有反向门极电流，而IGBT关断时，唯一要求的是栅极电容放电。象MOSFET一样，IGBT是跨导器件，只要保持栅极电压在阈值电压电位以上，便能维持IGBT的充分导通状态。在故障情况下，IGBT表现了可靠耐用的特性。当器件处于端子短路或接地状态时，短路…     

GTO

最近,一种兼备可控硅和功率晶体管长处的功率可关断可控硅,一般称为门极关断可控硅GTO(或门极可控可控硅GCT)已投入实用。 GTO只要根据加在门极上的正负信号,就能实现从阻断到导通,或从导通到阻断的转换。控制性能非常好。 GTO与可控硅一样,耐压和容许电流的相克性不像晶体管那样强,因此比较容易做到大     

轨道交通用750A/6500V高功率密度IGBT模块

通态损耗及开关损耗的降低是高压绝缘栅双极晶体管(IGBT)设计与制造的关键。基于"U"形增强型双扩散金属氧化物半导体(DMOS~+)元胞结构、增强型受控缓冲层(CPT~+)及横向变掺杂集电极(VLDC)技术、横向变掺杂(VLD)终端结构等关键技术,研发了具有低通态损耗的6 500 V平面栅IGBT芯片及其配套快恢复二极管(FRD)芯片。将IGBT及FRD芯片封装成750 A/6 500 V IGBT模块并对其进行测试、试验,其动、静态特性与安全工作区(SOA)性能优良,满足我国高速动车组、大功率机车等轨道交通牵引的应用要求。     

基于混合碳化硅器件的城市轨道交通车辆牵引节能研究

以碳化硅为代表的新一代半导体器件在城市轨道交通车辆中的应用对车辆牵引电传动系统技术的发展意义重大。将混合碳化硅器件应用于城市轨道交通车辆牵引系统中，能极大地发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗的特点，提高车辆牵引系统效率，实现牵引系统的节能降耗目标。与硅功率器件的电机损耗相对比，混合碳化硅功率器件的电机损耗可降低4%;通过更换功率器件、配套新型牵引控制单元，以及采用新的PWM(脉冲宽度调制)控制算法，降低了功率器件的开关损耗和导通损耗。在此基础上，优化了碳化硅功率器件的控制算法，以抑制电流谐波、降低电机损耗。软件仿真和装车测试结果验证了该混合碳化硅器件在车辆牵引系统中的节能效果。     

8.5 kV特高压晶闸管低占比终端结构设计与研究

作为能量变换和传输的重要器件,大功率晶闸管在诸如高压直流输电等领域得到广泛应用。随着电网对输电功率容量的要求越来越高,提高晶闸管导通容量备受关注。但是,随着容量的提升,传统的直线斜角造型技术在保证角度足够小的同时,会减少较多的阴极有效导通面积。为解决此问题,提出了一种低占比终端结构的大功率晶闸管,该晶闸管采用折线造型技术,能够在终端结构侧做到更小的角度,达到与直线斜角造型技术同样的电场优化效果,还可以保证阴极有效导通面积。最后,通过Silvaco平台,建立8.5 kV晶闸管的TCAD模型进行分析,验证所提出的结构的可行性。     

电气化铁道牵引轨回流高电压烧损信号机事故的原因分析与对策

1　前言在电气化铁道带有吸回装置区段(BT区段)的轨道电路中,信号扼流变就是为了满足供电部门、电务部门各自同时去完成牵引轨回流、轨道低压信号电流正常工作而设计的一种特殊变压器。对牵引供电电流来说是两扼流变中性相连,使牵引回流向变电所方向的纵向导通,如果在吸回区段,     

地铁牵引供电系统双向变流装置直流短路研究

采用以双向变流装置为核心的新型牵引供电系统方案,解决目前地铁牵引供电系统存在制动能量无法回收的问题。考虑到供电系统的可靠性,对新型供电系统直流侧的短路故障特性分段进行分析,IGBT(绝缘栅双极晶体管)反并联二极管处于续流或自然整流状态,存在较大的损坏风险。为了保护装置的IGBT反并联二极管,提出采用在功率模块中额外并联低内阻的功率二极管和设置直流侧电抗的方式,降低流过反并联二极管的短路电流。最终,搭建基于实际装置的仿真模型,通过仿真验证了直流短路分析的准确性。     

由于开通冲击电流可控硅击穿的现象

阻容吸收环节原本为限制过电压,但其电容的放电电流(冲击电流)往往使可控硅等元件性能恶化乃至击穿,尤在双向导通的元件更甚。虽有许多学者提出“这些击穿是由于元件的开通集中于一点,即产生过热点的结果”,但其原因——导通初期电流集中的过程和有关影响,尚未明白。作者用新研制的0.2微秒快门开放时间的门控红外线图象变换器和多控制极可控硅,进行了一系列试验与分析,搞清了在2000～3000伏级的可控硅,因开通延时场所的分散性一旦在0.5微秒以上,就产生过热点。控制极电流密度和npn晶体管的电流放大系数α_(npn)是影响开通延时分散性的主要矛盾。进而指出:为了减少开通延时的分散性,在制造(元件)方面和用户(电路)方面应努力的方向。同时,作者也研制出不被冲击电流击穿的新元件。     

耐压高容量大的快速换向可控硅

世界最大容量的高耐压快速换向逆导可控硅(FR1000AX—50)和快速换向可控硅(FT1500EY—24)已试制成功并付诸实用。 FR1000AX—50耐压2500伏、平均导通电流1000安、平均逆电流400安、关断时间30微秒。其容量和换流能力都为过去元件的两倍,是一种崭新的逆导可控硅。这种元件采用了为在换流能力、耐di/dt能力和高电压下的换向能力     

用于低压和高压器件的IGBT的额定过载特性

具有薄n基区和低掺杂场截止层新结构的非穿通绝缘栅双极型晶体管NPT IGBT明显降低了总损耗.特别是场截止概念与挖槽晶体管单元的结合能产生通态电压最小、开关损耗最低、载流子浓度近乎理想的器件.这种概念在600V～6.5 kV以上的IGBT和二极管中得到了发展.当折衷性能和总耐量与电压和电流额定值无关时,低压器件的开关特性与高压晶体管(VBr＞2 kV)的处理方法不同.采用HE-EMCON二极管和高达1 700 V的新型场截止NPT IGBT,几乎不受开关性能的限制,不过,需考虑的是外部栅极电阻必须取确定值.相比低压晶体管,高压器件的电流密度较低,因而高压二极管和IGBT中的"动态"电场强度更临界.     

大功率有源滤波器的并联变流器电路

提出了有效应用并联变流器作为大功率负载时的无功补偿器以及有源滤波器(APF)新拓扑.由于单个器件功率容量有限,要将功率电路结构的谐波电流总畸变率保持在规定的标准内,并联是增加设备定额的一种选择.有文献报导把几个变流器而非开关并联在一起,在分担负载时更可靠.从这个角度来看,多电平变流器很重要,因为其典型功率电路结构能把单个器件的应力限制在适当的范围.另一方面,多电平变流器具有开关频率低和能有效利用开关器件的优点,这在大功率应用中非常关键.这些优点在与一个小功率、高频的电流控制的有源滤波器并联后得到了充分利用,消除了高次谐波.提出了一种由一个三点式中点箝位变流器和一个辅助电流控制电压型逆变器组成的新的并联拓扑结构及其控制技术,并在SABER仿真平台对线性与非线性负载进行了广泛的仿真研究.     

交流电动机通用变频调速器

上海铁道学院最近研制成功交流电动机变频调速用高性能磁链追踪型GTR-PWM通用变频器。 1.主要特点①主电路由绝缘型整流模块及绝缘型大功率晶体管(GTR)模块构成; ②控制方法为高性能磁通控制型PWM法,达到国际80年代后期的技术水平;     

导通瞬态时续流二极管(FWD)反向恢复现象

研究IGBT模块中续流二极管(FWD)导通脉冲宽度(tw)很小时的反向恢复现象.通过仿真测得这种极限工作状态下FWD的电流、电压有关波形,对波形分析可得知导通脉冲宽度(tw)很小时的反向恢复是导致芯片损坏的原因.     

晶闸管相控电抗器无功功率补偿装置方案介绍

针对牵引变电所并联固定电容无功功率补偿装置的特点及存在的问题，提出了晶闸管相控电抗器无功功率补偿装置的方案。方案采用固定电容滤波器，通过计算机控制触发双向可控硅的导通状态来调整电抗器的输出容量，确保无功补偿容量满足牵引负荷的需要，使牵引变电所功率因数补偿到较高的水平。     

用低成本的单个DSP控制多个单相PFC模块

提出了用低成本的单个数字信号处理器(DSP)控制多个单相功率因数补偿(PFC)模块的新方案.该方案允许不同电流额定值的多个模块并联工作,并通过单个DsP控制.基于DSP的控制,易于分流,设备小巧.文章叙述了每个PFC模块电流的测量技术和多个模块工作的输出电压和输入电流闭环控制方法.在该设计例子中,开关频率设定为120kHz,2级连续导通模式的PFC并联工作,并由单个TMS320LF2407DSP控制.实验结果表明,现代开关电源可采用该方案.     

有源电压箝位串联HV IGBT的适用性和优化(二)

介绍了5.2 kV高压绝缘栅双极型晶体管(HV IGBTs)的成功串联应用.穿通型HV IGBT串联应用时要完全控制感应过电压,最大的障碍是拖尾电流的关断问题.可以证明,采用先进的电压箝位技术能够限制因关断拖尾电流而引起的第二个电压尖峰.阳极采用载流子寿命局部分布的IGBT很适合这种应用;拖尾电流间隔时间越短,关断损耗越小.文中集中讨论了穿通型HV IGBT器件串联时的最佳通态等离子体分布,HV IGBT的最新发展趋势似乎与讨论结论相一致.未来先进的HV IGBT技术可完全减轻第一代HV IGBT串联时的困难.     

有源电压箝位串联HV IGBT的适用性和优化(一)

介绍了5.2 kV高压绝缘栅双极型晶体管(HV IGBTs)的成功串联应用.穿通型HV IGBT串联应用时要完全控制感应过电压,最大的障碍是拖尾电流的关断问题.可以证明,采用先进的电压箝位技术能够限制因关断拖尾电流而引起的第二个电压尖峰.阳极采用载流子寿命局部分布的IGBT很适合这种应用;拖尾电流间隔时间越短,关断损耗越小.文中集中讨论了穿通型HV IGBT器件串联时的最佳通态等离子体分布,HV IGBT的最新发展趋势似乎与讨论结论相一致.未来先进的HV IGBT技术可完全减轻第一代HV IGBT串联时的困难.