第一章 電力電子器件的原理與特性(ppt-43)

1、February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-1,第一章 電力電子器件的原理與特性,,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-2,要求及重點(diǎn),要求：了解電力電子器件的發(fā)展、分類與應(yīng)用；理解和掌握SCR、GTO、GTR（或BJT）、電力MOSFET和IGBT等常用器件的工作原理、電氣特性和主要參數(shù)。重點(diǎn)：各種電力電子器件原理、性能上的不同點(diǎn)，各自應(yīng)用的場合。,February 14,

2、 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-3,電力電子技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)階段（1960～1980年）器件基礎(chǔ)：以晶閘管為核心的晶閘管大家族主要應(yīng)用：相控整流器、直流斬波器等基本特征：整流或交流到直流的順變現(xiàn)代的電力電子技術(shù)階段（1980年～至今）器件基礎(chǔ)：高頻率、全控的功率集成器件主要應(yīng)用：脈寬調(diào)制（PWM）電路、零電壓零電流開關(guān)諧振電路、高頻斬波電路等基本特征：進(jìn)入逆變時(shí)期,February 14, 2000,

3、北方交通大學(xué)電氣工程系,1-4,,現(xiàn)代電力電子技術(shù)與傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)相比較，有如下特點(diǎn)：集成化高頻化全控型電路“弱電化”，控制技術(shù)數(shù)字化多功能化專用化ASIC,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-5,電力電子器件的發(fā)展,第一代電力電子器件無關(guān)斷能力的SCR第二代電力電子器件有關(guān)斷能力的GTO、GTR等第三代電力電子器件性能優(yōu)異的復(fù)合型器件如（IGBT）和智能器件IPM (Intell

4、igent Power Module) 等,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-6,電力電子器件的分類,按其開關(guān)控制性能分類：不控型器件如電力二極管半控型器件如晶閘管全控型器件如GTO、GTR、IGBT按器件內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電的種類分類：單極型器件 ( MOSFET、SIT等 )雙極型器件 ( SCR、GTO、GTR等 )復(fù)合型器件 ( IGBT等 ),February 14, 20

5、00,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-7,電力電子器件的基本特點(diǎn),雙極型器件通態(tài)壓降較低、阻斷電壓高、電流容量大單極型器件開關(guān)時(shí)間短、輸入阻抗高（電壓控制型）電流具有負(fù)的溫度特性，二次擊穿的可能性很小。通態(tài)壓降高、電壓和電流定額較小。復(fù)合型器件既有電流密度高、導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn)；又有輸入阻抗高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-8,電力電子器件的應(yīng)用,決定應(yīng)用場合的基本因素輸

6、出容量工作頻率應(yīng)用舉例高壓輸電電力牽引開關(guān)電源,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-9,晶閘管（SCR）,名稱晶閘管（Thyristor）可控硅（SCR）外形與符號,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-10,SCR的導(dǎo)通和關(guān)斷條件,當(dāng)SCR承受反向陽極電壓時(shí)，不論門極承受何種電壓，SCR均處于阻斷狀態(tài)。當(dāng)SCR承受正向陽極電壓時(shí)，僅在門極承受正向電壓的情況

7、下，SCR才能導(dǎo)通。SCR在導(dǎo)通時(shí)，只要仍然承受一定正向陽極電壓，不論門極電壓如何，SCR仍能導(dǎo)通。SCR在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主電路電流減少到一定程度時(shí)，SCR恢復(fù)為阻斷。,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-11,課 堂 思 考 （一）,調(diào)試如圖所示晶閘管電路，在斷開Rd 測量輸出電壓Vd是否正確可調(diào)時(shí)，發(fā)現(xiàn)電壓表V讀數(shù)不正常，接上Rd 后一切正常，為什么？（觸發(fā)脈沖始終正常工作）,February 14,

8、 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-12,SCR的工作原理,,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-13,SCR的特性,SCR的伏安特性 VRSM: 反向不重 復(fù)峰值電壓 VBO：轉(zhuǎn)折電壓 IH ： 維持電流門極的伏安特性,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-14,SCR的主要參數(shù),SCR的電壓定額斷態(tài)重復(fù)峰值電壓 VDRM反向重復(fù)峰值電壓 VRRM

9、額定電壓通態(tài)（峰值）電壓 VTMSCR的電流定額維持電流 IH擎住電流 IL浪涌電流 ITSM（通常為 4?ITA 或更多）,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-15,SCR的主要參數(shù)（續(xù)）,通態(tài)平均電流 ITA,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-16,課 堂 思 考 （二）,通過SCR的電流波形如圖所示，Im＝300A試選取SCR的ITA解：電流有效值,Feb

10、ruary 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-17,SCR的主要參數(shù)（續(xù)）,動態(tài)參數(shù)斷態(tài)電壓臨界上升率 dv/dt過大的 dv/dt 下會引起誤導(dǎo)通通態(tài)電流臨界上升率 di/dt過大的 di/dt 可使晶閘管內(nèi)部局部過熱而損壞,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-18,SCR的主要參數(shù)（續(xù)）,門極參數(shù)以三菱公司的TM400HA－M為例,February 14, 2000,北方交

11、通大學(xué)電氣工程系,1-19,晶閘管家族的其它器件,快速晶閘管（KK、FSCR）逆導(dǎo)型晶閘管（Reverse Conducting Thyristor）RCT,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-20,晶閘管家族的其它器件（續(xù)）,雙向晶閘管（Bi - directional Thyristor）TRIAC,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-21,可關(guān)斷晶閘管（GTO）,名稱

12、Gate Turn off Thyristor，簡稱GTO符號,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-22,GTO的關(guān)斷原理,GTO處于臨界導(dǎo)通狀態(tài)集電極電流 IC1 占總電流的比例較小 電流增益,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-23,GTO的陽極伏安特性,逆阻型逆導(dǎo)型,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-24,GTO的開通特性,to

13、n : 開通時(shí)間td: 延遲時(shí)間tr : 上升時(shí)間ton = td + tr,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-25,GTO的關(guān)斷特性,toff : 關(guān)斷時(shí)間ts : 存儲時(shí)間tf : 下降時(shí)間tt : 尾部時(shí)間toff = ts + tf +（tt）,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-26,GTO的主要參數(shù),可關(guān)斷峰

14、值電流 ITGQM關(guān)斷時(shí)的陽極尖峰電壓 VPVP 過大可能引起過熱誤觸發(fā)陽極電壓上升率 dv/dt靜態(tài) dv/dt動態(tài) dv/dt陽極電流上升率 di/dt,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-27,電力晶體管（GTR / BJT）,名稱巨型晶體管（Giant Transistor）電力晶體管符號特點(diǎn)（雙極型器件）飽和壓降低開關(guān)時(shí)間較短安全工作區(qū)寬,February 14, 20

15、00,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-28,GTR的結(jié)構(gòu)形式,單管電力晶體管（BJT）達(dá)林頓管電流增益大 ，輸出管不會飽和關(guān)斷時(shí)間較長達(dá)林頓模塊,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-29,GTR的輸出特性,基本上同三極管（Ⅰ）截止區(qū)（Ⅱ）放大區(qū)（Ⅲ）臨界飽和區(qū)（Ⅳ）深飽和區(qū),February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-30,GTR的電壓極限值,BVCEO,,BVCES,BVC

16、EX,BVCER,BVCEX > BVCES > BVCER > BVCEO,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-31,GTR的二次擊穿,原因元件內(nèi)部局部溫度過高，引起電流急劇增長。性質(zhì)熱擊穿,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-32,GTR的安全工作區(qū),,正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）,反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）,February 14,

17、 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-33,電力 MOSFET,名稱又稱功率MOSFET或電力場效應(yīng)晶體管分類 P 溝道 增強(qiáng)型 N 溝道 耗盡型符號,{,{,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-34,電力 MOSFET 的特點(diǎn),單極型器件優(yōu)點(diǎn)開關(guān)速度很快，工作頻率很高;電流增益大，驅(qū)動功率

18、小;正的電阻溫度特性，易并聯(lián)均流。缺點(diǎn)通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗相應(yīng)也大；單管容量難以提高，只適合小功率。,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-35,電力 MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性,ID = f（VGS）ID較大時(shí)，ID與VGS間的關(guān)系近似線性?？鐚?dǎo) GFS = dID / dVGSVGS（th）開啟電壓,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-36,電力 MOS

19、FET 的輸出特性,（Ⅰ）截止區(qū)（Ⅱ）飽和區(qū)（Ⅲ）非飽和區(qū)（Ⅳ）雪崩區(qū),February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-37,電力 MOSFET 的安全工作區(qū),電力 MOSFET無 反向阻斷能力MOSFET 無二次擊穿問題注意防靜電,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-38,絕緣柵雙極晶體管（IGBT）,符號工作原理由MOSFET和GTR復(fù)合而成等效電路如右,Febr

20、uary 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-39,IGBT的伏安特性,,伏安特性示意圖,實(shí)際的伏安特性,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-40,IGBT的擎住效應(yīng),產(chǎn)生原因內(nèi)部存在NPN 型寄生晶體管避免方法使漏極電流不超過IDM減小重加dvds /dt,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-41,IGBT的安全工作區(qū),柵極布線應(yīng)注意：驅(qū)動電路與IGBT

21、的連線要盡量短；如不能直接連線時(shí)，應(yīng)采用雙絞線。,正向安全工作區(qū),反向安全工作區(qū),February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-42,其它新型場控器件,靜電感應(yīng)晶體管 SIT靜電感應(yīng)晶閘管 SITHMOS 控制晶閘管 MCT智能型器件 IPM,February 14, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,1-43,常用器件性能比較,GTO GTR IGBT MOSFET驅(qū)動信號

22、 電流 電流 電壓 電壓驅(qū)動功率 大 大 中 小通態(tài)壓降 小 小 中 大開關(guān)速度 慢 較慢 中 快通過電流能力 大 較大