第一章 电力电子器件的原理与特性

1、器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-1器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-2 要求：要求：了解电力电子器件的发展、分类与应用；了解电力电子器件的发展、分类与应用；理解和掌握理解和掌握SCRSCR、GTOGTO、GTRGTR（或（或BJTBJT）、电）、电力力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT等常用器件的工作原理、电等常用器件的工作原理、电气特性和主要参数。气特性和主要参数。 重点：重点：各种电力电子器件原理、性能上的不同点，各种电力电子器件原理、性能上的不同点，各自应用的场合各自应用的场合。器件原理 February

2、 14, 2000北方交通大学电气工程系1-3 传统的电力电子技术阶段（传统的电力电子技术阶段（19601980年）年） 器件基础：以晶闸管为核心的晶闸管大家族器件基础：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基本特征：整流或交流到直流的顺变顺变 现代的电力电子技术阶段（现代的电力电子技术阶段（1980年至今）年至今） 器件基础：高频率、全控的功率集成器件器件基础：高频率、全控的功率集成器件 主要应用：脉宽调制（主要应用：脉宽调制（PWM）电路、零电）电路、零电压零电流开关谐振电路、高频斩波电路等压零电流开

3、关谐振电路、高频斩波电路等 基本特征：进入基本特征：进入逆变逆变时期时期器件原理 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：术相比较，有如下特点： 集成化集成化 高频化高频化 全控型全控型 电路电路“弱电化弱电化”，控制技术数字化，控制技术数字化 多功能化多功能化 专用化专用化 ASIC器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-5 第一代第一代电力电子器件电力电子器件 无关断能力的无关断能力的SCR 第二代第二代电力电子器件电力电子器件 有关断能力的有关断

4、能力的GTO、GTR等等 第三代第三代电力电子器件电力电子器件 性能优异的复合型器件如（性能优异的复合型器件如（IGBT）和智能）和智能器件器件IPM (Intelligent Power Module) 等等器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-6 按其开关控制性能分类：按其开关控制性能分类： 不控型器件不控型器件 如电力二极管如电力二极管 半控型器件半控型器件 如晶闸管如晶闸管 全控型器件全控型器件 如如GTO、GTR、IGBT 按器件内部载流子参与导电的种类分类：按器件内部载流子参与导电的种类分类： 单极型器件单极型器件 ( MOSFET、SIT等等 )

5、双极型器件双极型器件 ( SCR、GTO、GTR等等 ) 复合型器件复合型器件 ( IGBT等等 )器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-7 双极型器件双极型器件 通态压降较低、阻断电压高、电流容量大通态压降较低、阻断电压高、电流容量大 单极型器件单极型器件 开关时间短、输入阻抗高（电压控制型）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，二次击穿的可能性电流具有负的温度特性，二次击穿的可能性很小。很小。 通态压降高、电压和电流定额较小。通态压降高、电压和电流定额较小。 复合型器件复合型器件 既有电流密度高、导通压降低的优点；既有电流密度高、导通压

6、降低的优点； 又有输入阻抗高、响应速度快的优点。又有输入阻抗高、响应速度快的优点。器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-8 决定应用场合的基本因素决定应用场合的基本因素 输出容量输出容量 工作频率工作频率 应用举例应用举例 高压输电高压输电 电力牵引电力牵引 开关电源开关电源器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-9 名称名称 晶闸管晶闸管（Thyristor） 可控硅可控硅（SCR） 外形与符号外形与符号器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-10 当当SCR承受反向阳极电压时，不论门极承受何承受反向

7、阳极电压时，不论门极承受何种电压，种电压，SCR均处于阻断状态。均处于阻断状态。 当当SCR承受正向阳极电压时，仅在门极承受正承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下，向电压的情况下，SCR才能导通。才能导通。 SCR在导通时，只要仍然承受一定正向阳极电在导通时，只要仍然承受一定正向阳极电压，不论门极电压如何，压，不论门极电压如何，SCR仍能导通。仍能导通。 SCR在导通情况下，当在导通情况下，当主电路电流减少到一定主电路电流减少到一定程度时程度时，SCR恢复为阻断。恢复为阻断。器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-11 调试如图所示晶闸管电路，在断开调

8、试如图所示晶闸管电路，在断开Rd Rd 测量输测量输出电压出电压VdVd是否正确可调时，发现电压表是否正确可调时，发现电压表V V读数读数不正常，接上不正常，接上Rd Rd 后一切正常，为什么？（触后一切正常，为什么？（触发脉冲始终正常工作）发脉冲始终正常工作）器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-12器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-13 SCR的伏安特性的伏安特性 VRSM: 反向不重反向不重 复峰值电压复峰值电压 VBO：转折电压：转折电压 IH ： 维持电流维持电流 门极的伏安特性门极的伏安特性器件原理 Februar

9、y 14, 2000北方交通大学电气工程系1-14 SCR的的电压定额电压定额 断态重复峰值电压断态重复峰值电压 VDRM 反向重复峰值电压反向重复峰值电压 VRRM 额定电压额定电压 通态（峰值）电压通态（峰值）电压 VTM SCR的的电流定额电流定额 维持电流维持电流 IH 擎住电流擎住电流 IL 浪涌电流浪涌电流 ITSM（通常为（通常为 4 ITA 或更多或更多）器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-15 通态平均电流通态平均电流 ITAmmTAIttdII)(sin2102)()sin(2120mmItdtII57. 12TAII器件原理 Februa

10、ry 14, 2000北方交通大学电气工程系1-16 通过通过SCR的电流波形的电流波形如图所示，如图所示，Im300A试选取试选取SCR的的ITA 解：电流有效值解：电流有效值AItdIImm31003)()(212320AIITA22016557.1)25 .1 (器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-17 动态参数动态参数 断态电压临界上升率断态电压临界上升率 dv/dt 过大的过大的 dv/dt 下会引起误导通下会引起误导通 通态电流临界上升率通态电流临界上升率 di/dt 过大的过大的 di/dt 可使晶闸管内部局部过热而损坏可使晶闸管内部局部过热而损

11、坏器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-18 门极参数门极参数以三菱公司的以三菱公司的TM400HAM为例为例器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-19 快速晶闸管快速晶闸管（KK、FSCR） 逆导型晶闸管逆导型晶闸管（Reverse Conducting Thyristor） RCT器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-20 双向晶闸管双向晶闸管（Bi - directional Thyristor） TRIAC器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-21 名称名称

12、Gate Turn off Thyristor，简称，简称GTO 符号符号器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-22 GTO处于处于临界导通临界导通状态状态 集电极电流集电极电流 IC1 占总电流的比例占总电流的比例较小较小 电流增益电流增益GMTGQMoffII器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-23 逆阻型逆阻型 逆导型逆导型器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-24ton : 开通时间开通时间td: 延迟时间延迟时间tr : 上升时间上升时间ton = td + tr器件原理 Februar

13、y 14, 2000北方交通大学电气工程系1-25toff : 关断时间关断时间ts : 存储时间存储时间tf : 下降时间下降时间tt : 尾部时间尾部时间toff = ts + tf +（tt）器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-26 可关断峰值电流可关断峰值电流 ITGQM 关断时的阳极尖峰电压关断时的阳极尖峰电压 VP VP 过大可能引起过大可能引起 过热过热 误触发误触发 阳极电压上升率阳极电压上升率 dv/dt 静态静态 dv/dt 动态动态 dv/dt 阳极电流上升率阳极电流上升率 di/dt器件原理 February 14, 2000北方交通大

14、学电气工程系1-27 名称名称 巨型晶体管（巨型晶体管（Giant Transistor） 电力晶体管电力晶体管 符号符号 特点（双极型器件）特点（双极型器件） 饱和压降低饱和压降低 开关时间较短开关时间较短 安全工作区宽安全工作区宽器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-28 单管电力晶体管（单管电力晶体管（BJT） 达林顿管达林顿管 电流增益大电流增益大 ，输出管不会饱和输出管不会饱和 关断时间较长关断时间较长 达林顿模块达林顿模块器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-29 基本上同三极管基本上同三极管（）截止区）截止区（）放大

15、区）放大区（）临界饱和区）临界饱和区（）深饱和区）深饱和区器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-30BVCEOBVCESBVCEXBVCERBVCEX BVCES BVCER BVCEO器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-31 原因原因 元件内部局部元件内部局部温度过高，引温度过高，引起电流急剧增起电流急剧增长。长。 性质性质 热击穿热击穿器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-32正向偏置安全工作区正向偏置安全工作区（FBSOA）反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区（RBSOA）器件原理 Febr

16、uary 14, 2000北方交通大学电气工程系1-33 名称名称 又称又称功率功率MOSFET或或电力场效应晶体管电力场效应晶体管 分类分类 P 沟道沟道 增强型增强型 N 沟道沟道 耗尽型耗尽型 符号符号器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-34 单极型器件单极型器件 优点优点 开关速度很快，工作频率很高开关速度很快，工作频率很高; 电流增益大，驱动功率小电流增益大，驱动功率小; 正的电阻温度特性，易并联均流。正的电阻温度特性，易并联均流。 缺点缺点 通态电阻较大，通态损耗相应也大；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。单管容量难

17、以提高，只适合小功率。器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-35 ID = f（VGS） ID较大时，较大时，ID与与VGS间的关间的关系近似线性。系近似线性。 跨导跨导 GFS = dID / dVGS VGS（th）开启电压开启电压器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-36（）截止区）截止区（）饱和区）饱和区（）非饱和区）非饱和区（）雪崩区）雪崩区器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-37 电力电力 MOSFET无无 反向阻断反向阻断能力能力 MOSFET 无无二次击穿问题二次击穿问题 注意防静

18、电注意防静电器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-38 符号符号 工作原理工作原理 由由MOSFET和和GTR复合而成复合而成 等效电路如右等效电路如右器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-39伏安特性示意图伏安特性示意图实际的伏安特性实际的伏安特性器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-40 产生原因产生原因 内部存在内部存在NPN 型寄生晶体管型寄生晶体管 避免方法避免方法 使漏极电流使漏极电流不超过不超过IDM 减小重加减小重加dvds /dt器件原理 February 14, 2000北方交通大学电气工程系1-41 栅极布线应注意：栅极布线应注意： 驱动电路与驱动电路与IGBT的连线要尽量短；的连线要尽量短； 如不能直接连线时，应采用双绞线。如不能直接连线时，应采用双绞线。正向安全工作区正向安全工作区反向安全工作区