第一章电力电子器件的原理与特性.ppt

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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 VTMSCR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

7、,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

8、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,

9、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 VPVP 过大可能引起过热误触发阳极电压上升率 dv/dt静态 dv

10、/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

11、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

12、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/dVGSVGS（th）开启电压,February 14,2000,北方交通大学电气工程系,1-36,电力 MOSFE

13、T 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

14、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 SITHMOS 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,