电力电子技术1器件原理

器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-1第一章电力电子器件的原理与特性器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院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；–理解和掌握功率二极管、SCR、GTO、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。器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-31.1电力电子器件概述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(IntelligentPowerModule)等器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-4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)器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-5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。器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-6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–开关电源器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-71.2功率二极管•工作原理（基本与普通二极管相同）–PN结：正向导通反向截止电流到零关断•基本特性–静态特性（伏安特性）–动态特性（关断特性—反向恢复电流）（开通特性）器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-8•主要参数:–正向平均电流IF（AV）–正向压降UF–反向重复峰值电压URRM–最高工作结温TJM–反向恢复时间trr–浪涌电流IFSM•主要类型:–整流二极管（低频、大容量）–快恢复二极管（高频）–肖特基二极管（高频、低电压）器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-91.3晶闸管（SCR）•名称–晶闸管（Thyristor）–可控硅（SCR）•外形与符号器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-10SCR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。器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院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）器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-12SCR的工作原理器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-13SCR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•门极的伏安特性器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-14SCR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4ITA或更多）器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-15SCR的主要参数（续）–通态平均电流ITAmmTAIttdII)ω(ωsin2102)ω()ωsin(2120mmItdtII57.12TAII器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-16课堂思考（二）•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AItdIImm31003)ω()(212320AIITA220~16557.1)2~5.1(器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-17SCR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器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-18晶闸管家族的其它器件•快速晶闸管（KK、FSCR）•逆导型晶闸管（ReverseConductingThyristor）–RCT器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-19晶闸管家族的其它器件（续）•双向晶闸管（Bi-directionalThyristor）–TRIAC器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-201.4可关断晶闸管（GTO）•名称–GateTurnoffThyristor，简称GTO•符号器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-21GTO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GMTGQMoffII器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-22GTO的阳极伏安特性•逆阻型•逆导型器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-23GTO的开通特性ton:开通时间td:延迟时间tr:上升时间ton=td+tr器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-24GTO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）器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-25GTO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器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-26电力晶体管（GTR/BJT）•名称–巨型晶体管（GiantTransistor）–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–安全工作区宽器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-271.5功率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{{器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-28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。器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-29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）开启电压器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-30电力MOSFET的输出特性（Ⅰ）截止区（Ⅱ）饱和区（Ⅲ）非饱和区（Ⅳ）雪崩区器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-31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•注意防静电器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-321.6绝缘栅双极晶体管（IGBT）•符号•工作原理–由MOSFET和GTR复合而成–等效电路如右器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-33IGBT的伏安特性伏安特性示意图实际的伏安特性器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-34IGBT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器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-35IGBT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器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-361.7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器件原理February,2003北方交通大学电气工程学院1-37常用器件性能比较DSCRGTOIGBTMOSFET驱动信号无电流电流电压电压驱动功率—大大中小通态压降小小小中大开关速度慢/快慢较慢中快通过电流能力大大较大中小