第一章电力电子器件的原理与特性.ppt
February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-1,第一章 电力电子器件的原理与特性,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-2,要求及重点,要求： 了解电力电子器件的发展、分类与应用； 理解和掌握SCR、GTO、GTR（或BJT）、电力MOSFET和IGBT等常用器件的工作原理、电气特性和主要参数。 重点： 各种电力电子器件原理、性能上的不同点，各自应用的场合。,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-3,电力电子技术的发展,传统的电力电子技术阶段（19601980年） 器件基础：以晶闸管为核心的晶闸管大家族 主要应用：相控整流器、直流斩波器等 基本特征：整流或交流到直流的顺变 现代的电力电子技术阶段（1980年至今） 器件基础：高频率、全控的功率集成器件 主要应用：脉宽调制（PWM）电路、零电压零电流开关谐振电路、高频斩波电路等 基本特征：进入逆变时期,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-4,现代电力电子技术与传统的电力电子技术相比较，有如下特点： 集成化 高频化 全控型 电路“弱电化”，控制技术数字化 多功能化 专用化 ASIC,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-5,电力电子器件的发展,第一代电力电子器件 无关断能力的SCR 第二代电力电子器件 有关断能力的GTO、GTR等 第三代电力电子器件 性能优异的复合型器件如（IGBT）和智能器件IPM (Intelligent Power Module) 等,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-6,电力电子器件的分类,按其开关控制性能分类： 不控型器件 如电力二极管 半控型器件 如晶闸管 全控型器件 如GTO、GTR、IGBT 按器件内部载流子参与导电的种类分类： 单极型器件 ( MOSFET、SIT等 ) 双极型器件 ( SCR、GTO、GTR等 ) 复合型器件 ( IGBT等 ),February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-7,电力电子器件的基本特点,双极型器件 通态压降较低、阻断电压高、电流容量大 单极型器件 开关时间短、输入阻抗高（电压控制型） 电流具有负的温度特性，二次击穿的可能性很小。 通态压降高、电压和电流定额较小。 复合型器件 既有电流密度高、导通压降低的优点； 又有输入阻抗高、响应速度快的优点。,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-8,电力电子器件的应用,决定应用场合的基本因素 输出容量 工作频率 应用举例 高压输电 电力牵引 开关电源,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-9,晶闸管（SCR）,名称 晶闸管 （Thyristor） 可控硅 （SCR） 外形与符号,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-10,SCR的导通和关断条件,当SCR承受反向阳极电压时，不论门极承受何种电压，SCR均处于阻断状态。 当SCR承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下，SCR才能导通。 SCR在导通时，只要仍然承受一定正向阳极电压，不论门极电压如何，SCR仍能导通。 SCR在导通情况下，当主电路电流减少到一定程度时，SCR恢复为阻断。,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-11,课 堂 思 考 （一）,调试如图所示晶闸管电路，在断开Rd 测量输出电压Vd是否正确可调时，发现电压表V读数不正常，接上Rd 后一切正常，为什么？（触发脉冲始终正常工作）,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-12,SCR的工作原理,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-13,SCR的特性,SCR的伏安特性 VRSM: 反向不重 复峰值电压 VBO：转折电压 IH ： 维持电流 门极的伏安特性,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-14,SCR的主要参数,SCR的电压定额 断态重复峰值电压 VDRM 反向重复峰值电压 VRRM 额定电压 通态（峰值）电压 VTM SCR的电流定额 维持电流 IH 擎住电流 IL 浪涌电流 ITSM（通常为 4ITA 或更多）,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-15,SCR的主要参数（续）,通态平均电流 ITA,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-16,课 堂 思 考 （二）,通过SCR的电流波形 如图所示，Im300A 试选取SCR的ITA 解：电流有效值,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-17,SCR的主要参数（续）,动态参数 断态电压临界上升率 dv/dt 过大的 dv/dt 下会引起误导通 通态电流临界上升率 di/dt 过大的 di/dt 可使晶闸管内部局部过热而损坏,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-18,SCR的主要参数（续）,门极参数 以三菱公司的 TM400HAM 为例,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-19,晶闸管家族的其它器件,快速晶闸管（KK、FSCR） 逆导型晶闸管（Reverse Conducting Thyristor） RCT,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-20,晶闸管家族的其它器件（续）,双向晶闸管（Bi - directional Thyristor） TRIAC,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-21,可关断晶闸管（GTO）,名称 Gate Turn off Thyristor，简称GTO 符号,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-22,GTO的关断原理,GTO处于临界导通状态 集电极电流 IC1 占总电流的比例较小 电流增益,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-23,GTO的阳极伏安特性,逆阻型 逆导型,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-24,GTO的开通特性,ton : 开通时间 td: 延迟时间 tr : 上升时间 ton = td + tr,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-25,GTO的关断特性,toff : 关断时间 ts : 存储时间 tf : 下降时间 tt : 尾部时间 toff = ts + tf +（tt）,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-26,GTO的主要参数,可关断峰值电流 ITGQM 关断时的阳极尖峰电压 VP VP 过大可能引起 过热 误触发 阳极电压上升率 dv/dt 静态 dv/dt 动态 dv/dt 阳极电流上升率 di/dt,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-27,电力晶体管（GTR / BJT）,名称 巨型晶体管（Giant Transistor） 电力晶体管 符号 特点（双极型器件） 饱和压降低 开关时间较短 安全工作区宽,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-28,GTR的结构形式,单管电力晶体管（BJT） 达林顿管 电流增益大 ， 输出管不会饱和 关断时间较长 达林顿模块,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-29,GTR的输出特性,基本上同三极管 （）截止区 （）放大区 （）临界饱和区 （）深饱和区,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-30,GTR的电压极限值,BVCEO,BVCES,BVCEX,BVCER,BVCEX BVCES BVCER BVCEO,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-31,GTR的二次击穿,原因 元件内部局部 温度过高，引 起电流急剧增 长。 性质 热击穿,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-32,GTR的安全工作区,正向偏置安全工作区 （FBSOA）,反向偏置安全工作区 （RBSOA）,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-33,电力 MOSFET,名称 又称功率MOSFET或电力场效应晶体管 分类 P 沟道 增强型 N 沟道 耗尽型 符号,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-34,电力 MOSFET 的特点,单极型器件 优点 开关速度很快，工作频率很高; 电流增益大，驱动功率小; 正的电阻温度特性，易并联均流。 缺点 通态电阻较大，通态损耗相应也大； 单管容量难以提高，只适合小功率。,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-35,电力 MOSFET 的转移特性,ID = f（VGS） ID较大时，ID 与VGS间的关 系近似线性。 跨导 GFS = dID / dVGS VGS（th） 开启电压,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-36,电力 MOSFET 的输出特性,（）截止区 （）饱和区 （）非饱和区 （）雪崩区,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-37,电力 MOSFET 的安全工作区,电力 MOSFET 无 反向阻断 能力 MOSFET 无 二次击穿问题 注意防静电,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-38,绝缘栅双极晶体管（IGBT）,符号 工作原理 由MOSFET和 GTR复合而成 等效电路如右,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-39,IGBT的伏安特性,伏安特性示意图,实际的伏安特性,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-40,IGBT的擎住效应,产生原因 内部存在NPN 型寄生晶体管 避免方法 使漏极电流 不超过IDM 减小重加dvds /dt,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-41,IGBT的安全工作区,栅极布线应注意： 驱动电路与IGBT的连线要尽量短； 如不能直接连线时，应采用双绞线。,正向安全工作区,反向安全工作区,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-42,其它新型场控器件,静电感应晶体管 SIT 静电感应晶闸管 SITH MOS 控制晶闸管 MCT 智能型器件 IPM,February 14, 2000,北方交通大学电气工程系,1-43,常用器件性能比较,GTO GTR IGBT MOSFET 驱动信号 电流 电流 电压 电压 驱动功率 大 大 中 小 通态压降 小 小 中 大 开关速度 慢 较慢 中 快 通过电流能力 大 较大 中 小,
