第一章電力電子器件的原理與特性ppt課件

1、器件原理器件原理 要求：要求： 了解電力電子器件的開展、分類與運用；了解電力電子器件的開展、分類與運用； 了解和掌握了解和掌握SCRSCR、GTOGTO、GTRGTR或或BJTBJT、電力、電力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT等常用器件的任務(wù)原理、電氣特等常用器件的任務(wù)原理、電氣特性和主要參數(shù)。性和主要參數(shù)。 重點：重點： 各種電力電子器件原理、性能上的不同點，各各種電力電子器件原理、性能上的不同點，各自運用的場所。自運用的場所。器件原理 傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)階段傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)階段19601980年年 器件根底：以晶閘管為中心的晶閘管大家族器件根底：以晶閘管為中心的晶閘管大家族

2、主要運用：相控整流器、直流斬波器等主要運用：相控整流器、直流斬波器等 根本特征：整流或交流到直流的順變根本特征：整流或交流到直流的順變 現(xiàn)代的電力電子技術(shù)階段現(xiàn)代的電力電子技術(shù)階段1980年至今年至今 器件根底：高頻率、全控的功率集成器件器件根底：高頻率、全控的功率集成器件 主要運用：脈寬調(diào)制主要運用：脈寬調(diào)制PWM電路、零電壓電路、零電壓零電流開關(guān)諧振電路、高頻斬波電路等零電流開關(guān)諧振電路、高頻斬波電路等 根本特征：進入逆變時期根本特征：進入逆變時期器件原理 現(xiàn)代電力電子技術(shù)與傳統(tǒng)的電力電子技現(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：術(shù)相比較，有如下特點： 集成化集成化 高頻化

3、高頻化 全控型全控型 電路電路“弱電化，控制技術(shù)數(shù)字化弱電化，控制技術(shù)數(shù)字化 多功能化多功能化 公用化公用化 ASIC器件原理 第一代電力電子器件第一代電力電子器件 無關(guān)斷才干的無關(guān)斷才干的SCR 第二代電力電子器件第二代電力電子器件 有關(guān)斷才干的有關(guān)斷才干的GTO、GTR等等 第三代電力電子器件第三代電力電子器件 性能優(yōu)良的復(fù)合型器件如性能優(yōu)良的復(fù)合型器件如IGBT和智能器和智能器件件IPM (Intelligent Power Module) 等等器件原理 按其開關(guān)控制性能分類：按其開關(guān)控制性能分類： 不控型器件不控型器件如電力二極管如電力二極管 半控型器件半控型器件如晶閘管如晶閘管 全控

4、型器件全控型器件如如GTO、GTR、IGBT 按器件內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電的種類分類：按器件內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電的種類分類： 單極型器件單極型器件 ( MOSFET、SIT等等 ) 雙極型器件雙極型器件 ( SCR、GTO、GTR等等 ) 復(fù)合型器件復(fù)合型器件 ( IGBT等等 )器件原理 雙極型器件雙極型器件 通態(tài)壓降較低、阻斷電壓高、電流容量大通態(tài)壓降較低、阻斷電壓高、電流容量大 單極型器件單極型器件 開關(guān)時間短、輸入阻抗高電壓控制型開關(guān)時間短、輸入阻抗高電壓控制型 電流具有負的溫度特性，二次擊穿的能夠性很電流具有負的溫度特性，二次擊穿的能夠性很小。小。 通態(tài)壓降高、電壓和電流定額較小。通態(tài)壓降

5、高、電壓和電流定額較小。 復(fù)合型器件復(fù)合型器件 既有電流密度高、導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點；既有電流密度高、導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點； 又有輸入阻抗高、呼應(yīng)速度快的優(yōu)點。又有輸入阻抗高、呼應(yīng)速度快的優(yōu)點。器件原理 決議運用場所的根本要素決議運用場所的根本要素 輸出容量輸出容量 任務(wù)頻率任務(wù)頻率 運用舉例運用舉例 高壓輸電高壓輸電 電力牽引電力牽引 開關(guān)電源開關(guān)電源器件原理 稱號稱號 晶閘管晶閘管Thyristor 可控硅可控硅SCR 外形與符號外形與符號器件原理 當當SCR接受反向陽極電壓時，不論門極接受何接受反向陽極電壓時，不論門極接受何種電壓，種電壓，SCR均處于阻斷形狀。均處于阻斷形狀。 當當SCR接受正

6、向陽極電壓時，僅在門極接受正接受正向陽極電壓時，僅在門極接受正向電壓的情況下，向電壓的情況下，SCR才干導(dǎo)通。才干導(dǎo)通。 SCR在導(dǎo)通時，只需依然接受一定正向陽極電在導(dǎo)通時，只需依然接受一定正向陽極電壓，不論門極電壓如何，壓，不論門極電壓如何，SCR仍能導(dǎo)通。仍能導(dǎo)通。 SCR在導(dǎo)通情況下，當主電路電流減少到一定在導(dǎo)通情況下，當主電路電流減少到一定程度時，程度時，SCR恢復(fù)為阻斷?；謴?fù)為阻斷。器件原理 調(diào)試如下圖晶閘管電路，在斷開調(diào)試如下圖晶閘管電路，在斷開Rd Rd 丈量輸出丈量輸出電壓電壓VdVd能否正確可調(diào)時，發(fā)現(xiàn)電壓表能否正確可調(diào)時，發(fā)現(xiàn)電壓表V V讀數(shù)不讀數(shù)不正常，接上正常，接上Rd

7、 Rd 后一切正常，為什么？觸發(fā)后一切正常，為什么？觸發(fā)脈沖一直正常任務(wù)脈沖一直正常任務(wù)器件原理器件原理 SCR的伏安特性的伏安特性 VRSM: 反向不重反向不重 復(fù)峰值電壓復(fù)峰值電壓 VBO：轉(zhuǎn)機電壓：轉(zhuǎn)機電壓 IH ： 維持電流維持電流 門極的伏安特性門極的伏安特性器件原理 SCR的電壓定額的電壓定額 斷態(tài)反復(fù)峰值電壓斷態(tài)反復(fù)峰值電壓 VDRM 反向反復(fù)峰值電壓反向反復(fù)峰值電壓 VRRM 額定電壓額定電壓 通態(tài)峰值電壓通態(tài)峰值電壓 VTM SCR的電流定額的電流定額 維持電流維持電流 IH 擎住電流擎住電流 IL 浪涌電流浪涌電流 ITSM通常為通常為 4ITA 或更多或更多器件原理 通態(tài)

8、平均電流通態(tài)平均電流 ITAmmTAIttdII)(sin2102)()sin(2120mmItdtII57. 12TAII器件原理 經(jīng)過經(jīng)過SCR的電流波形的電流波形如下圖，如下圖，Im300A試選取試選取SCR的的ITA 解：電流有效值解：電流有效值A(chǔ)ItdIImm31003)()(212320AIITA22016557.1)25 .1 (器件原理 動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù) 斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率 dv/dt 過大的過大的 dv/dt 下會引起誤導(dǎo)通下會引起誤導(dǎo)通 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率 di/dt 過大的過大的 di/dt 可使晶閘管內(nèi)部部分過熱而損壞可使晶閘管內(nèi)部部

9、分過熱而損壞器件原理 門極參數(shù)門極參數(shù)以三菱公司的以三菱公司的TM400HAM為例為例器件原理 快速晶閘管快速晶閘管KK、FSCR 逆導(dǎo)型晶閘管逆導(dǎo)型晶閘管Reverse Conducting Thyristor RCT器件原理 雙向晶閘管雙向晶閘管Bi - directional Thyristor TRIAC器件原理 稱號稱號 Gate Turn off Thyristor，簡稱，簡稱GTO 符號符號器件原理 GTO處于臨界導(dǎo)通形狀處于臨界導(dǎo)通形狀 集電極電流集電極電流 IC1 占總電流的比例較小占總電流的比例較小 電流增益電流增益GMTGQMoffII器件原理 逆阻型逆阻型 逆導(dǎo)型逆導(dǎo)型

10、器件原理ton : 開通時間開通時間td: 延遲時間延遲時間tr : 上升時間上升時間ton = td + tr器件原理toff : 關(guān)斷時間關(guān)斷時間ts : 存儲時間存儲時間tf : 下降時間下降時間tt : 尾部時間尾部時間toff = ts + tf +tt器件原理 可關(guān)斷峰值電流可關(guān)斷峰值電流 ITGQM 關(guān)斷時的陽極尖峰電壓關(guān)斷時的陽極尖峰電壓 VP VP 過大能夠引起過大能夠引起 過熱過熱 誤觸發(fā)誤觸發(fā) 陽極電壓上升率陽極電壓上升率 dv/dt 靜態(tài)靜態(tài) dv/dt 動態(tài)動態(tài) dv/dt 陽極電流上升率陽極電流上升率 di/dt器件原理 稱號稱號 巨型晶體管巨型晶體管Giant T

11、ransistor 電力晶體管電力晶體管 符號符號 特點雙極型器件特點雙極型器件 飽和壓降低飽和壓降低 開關(guān)時間較短開關(guān)時間較短 平安任務(wù)區(qū)寬平安任務(wù)區(qū)寬器件原理 單管電力晶體管單管電力晶體管BJT 達林頓管達林頓管 電流增益大電流增益大 ，輸出管不會飽和輸出管不會飽和 關(guān)斷時間較長關(guān)斷時間較長 達林頓模塊達林頓模塊器件原理 根本上同三極管根本上同三極管 截止區(qū)截止區(qū) 放大區(qū)放大區(qū) 臨界飽和區(qū)臨界飽和區(qū) 深飽和區(qū)深飽和區(qū)器件原理BVCEOBVCESBVCEXBVCERBVCEX BVCES BVCER BVCEO器件原理 緣由緣由 元件內(nèi)部部分元件內(nèi)部部分溫度過高，引溫度過高，引起電流急劇增起

12、電流急劇增長。長。 性質(zhì)性質(zhì) 熱擊穿熱擊穿器件原理正向偏置平安任務(wù)區(qū)正向偏置平安任務(wù)區(qū)FBSOA反向偏置平安任務(wù)區(qū)反向偏置平安任務(wù)區(qū)RBSOA器件原理 稱號稱號 又稱功率又稱功率MOSFET或電力場效應(yīng)晶體管或電力場效應(yīng)晶體管 分類分類 P 溝道溝道 加強型加強型 N 溝道溝道 耗盡型耗盡型 符號符號器件原理 單極型器件單極型器件 優(yōu)點優(yōu)點 開關(guān)速度很快，任務(wù)頻率很高開關(guān)速度很快，任務(wù)頻率很高; 電流增益大，驅(qū)動功率小電流增益大，驅(qū)動功率小; 正的電阻溫度特性，易并聯(lián)均流。正的電阻溫度特性，易并聯(lián)均流。 缺陷缺陷 通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗相應(yīng)也大；通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗相應(yīng)也大； 單管容量難以提

13、高，只適宜小功率。單管容量難以提高，只適宜小功率。器件原理 ID = fVGS ID較大時，較大時，ID與與VGS間的關(guān)間的關(guān)系近似線性。系近似線性。 跨導(dǎo)跨導(dǎo) GFS = dID / dVGS VGSth開啟電壓開啟電壓器件原理截止區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)非飽和區(qū)非飽和區(qū)雪崩區(qū)雪崩區(qū)器件原理 電力電力 MOSFET無無 反向阻斷反向阻斷才干才干 MOSFET 無無二次擊穿問題二次擊穿問題 留意防靜電留意防靜電器件原理 符號符號 任務(wù)原理任務(wù)原理 由由MOSFET和和GTR復(fù)合而成復(fù)合而成 等效電路如右等效電路如右器件原理伏安特性表示圖伏安特性表示圖實踐的伏安特性實踐的伏安特性器件原理 產(chǎn)生緣由產(chǎn)生緣由 內(nèi)部存在內(nèi)部存在NPN 型寄生晶體管型寄生晶體管 防止方法防止方法 使漏極電流使漏極電流不超越不超越IDM 減小重加減小重加dvds /dt器件原理 柵極布線應(yīng)留意：柵極布線應(yīng)留意： 驅(qū)動電路與驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短；的連線要盡量短； 如不能直接連線時，應(yīng)采用雙絞線。如不能直接連線時，應(yīng)采用雙絞線。正向平安任務(wù)區(qū)正向平安任務(wù)區(qū)反向平安任務(wù)區(qū)反向平安任務(wù)區(qū)器件