2019年第一章电力电子器件的原理与特性.ppt

February 14, 2000
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1-27
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
器件原理
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1-28
GTR的输出特性
器件原理
• 基本上同三极管 （Ⅰ）截止区 （Ⅱ）放大区 （Ⅲ）临界饱和区 （Ⅳ）深饱和区
SCR的主要参数（续）
• 门极参数
以三菱公司的 TM400HA－M 为例
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1-18
器件原理
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
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toff = ts + tf +（tt）
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器件原理
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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
• 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
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1-5
器件原理
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
• 阳极电流上升率 di/dt
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器件原理
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器件原理
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
• 决定应用场合的基本因素 – 输出容量 – 工作频率
器件原理
• 应用举例 – 高压输电 – 电力牵引 – 开关电源
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1-8
晶闸管（SCR）
• 名称 – 晶闸管 （Thyristor） – 可控硅 （SCR）
• 外形与符号
器件原理
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1-15
课 堂 思 考 （二）
器件原理
• 通过SCR的电流波形 如图所示，Im＝300A 试选取SCR的ITA
• 解：电流有效值
I
1
2
2
0 3 (Im )2 d (ω
t)

Im 3
100
3A
ITA

(1.5
~
2) I 1.57
165 ~
220A
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• 逆阻型
• 逆导型
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1-23
GTO的开通特性
器件原理
ton : 开通时间 td: 延迟时间 tr : 上升时间
ton = td + tr
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1-24
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
• 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 )
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1-6
器件原理
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
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1-11
SCR的工作原理
器件原理
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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
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1-34
器件原理
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
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–各种电力电子器件原理、性能上的不同点， 各自应用的场合。
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器件原理
电力电子技术的发展
• 传统的电力电子技术阶段（1960～1980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
• 性质 – 热击穿
器件原理
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1-31
GTR的安全工作区
器件原理
正向偏置安全工作区 （FBSOA）
反向偏置安全工作区 （RBSOA）
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1-32
电力 MOSFET
器件原理
• 名称
– 又称功率MOSFET或电力场效应晶体管
1-35
器件原理
电力 MOSFET 的输出特性
（Ⅰ）截止区 （Ⅱ）饱和区 （Ⅲ）非饱和区 （Ⅳ）雪崩区
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1-36
器件原理
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
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器件原理
1-13
SCR的主要参数
器件原理
• 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）
{ • 分类 P 沟道 N 沟道
{ 增强型 耗尽型
• 符号
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1-33
器件原理
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。
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1-16
器件原理
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
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1-17
器件原理
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1-19
器件原理
晶闸管家族的其它器件（续）
• 双向晶闸管（Bi - directional Thyristor） – TRIAC
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1-20
器件原理
可关断晶闸管（GTO）
• 名称 – Gate Turn off Thyristor，简称GTO
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1-29
GTR的电压极限值
器件原理
BVCEO
BVCER
BVCES
BVCEX
BVCEX > BVCES > BVCER > BVCEO
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1-30
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。
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1-39
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
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器件原理
1-40
器件原理
IGBT的安全工作区
• 栅正极向布安线全应工注作意区：
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1-37
器件原理
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
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1-38
IGBT的伏安特性
器件原理
伏安特性示意图
实际的伏安特性
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– 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
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1-4
器件原理
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
• 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。
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1-10
器件原理
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）
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1-9
器件原理
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。
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1-42
常用器件性能比较
器件原理
驱动信号 驱动功率 通态压降 开关速度 通过电流能力
GTO 电流 大 小 慢
大
GTR 电流 大 小 较慢 较大
IGBT 电压 中 中 中
中
MOSFET 电压 小 大 快 小
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1-43
反向安全工作区
– 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。
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1-41
其它新型场控器件
器件原理
• 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
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• 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
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1-3
器件原理
• 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：
器件原理
第一章 电力电子器件的原理与特性
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1-1
要求及重点
器件原理
• 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：
• 符号
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1-21
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
器件原理
电流增益
offBiblioteka ITGQM IGMFebruary 14, 2000
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1-22
器件原理
GTO的阳极伏安特性
• 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。
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1-7
电力电子器件的应用
February 14, 2000
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1-14
器件原理
SCR的主要参数（续）
– 通态平均电流 ITA
ITA

1
2

0
Im
sinω td(ω t)

Im

I
1
2
0
(Im
sinω t)2 d (ω t)

Im 2
I 1.57 ITA 2
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