第一章电力电子器件的原理与特性

第一章电力电子器件的原理与特性 北方交通大学电气工程系

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： • 各种电力电子器件原理、性能上的不同点，各自应用的场合。北方交通大学电气工程系

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 • 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：进入逆变时期北方交通大学电气工程系

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：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： • 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 北方交通大学电气工程系

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 (Intelligent Power Module) 等北方交通大学电气工程系

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 ) 北方交通大学电气工程系

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。北方交通大学电气工程系

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 • 开关电源北方交通大学电气工程系

晶闸管（SCR） • 名称 • 晶闸管（Thyristor） • 可控硅（SCR） • 外形与符号北方交通大学电气工程系

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。 • 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。北方交通大学电气工程系

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）北方交通大学电气工程系

SCR的工作原理 北方交通大学电气工程系

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 • 门极的伏安特性北方交通大学电气工程系

SCR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）北方交通大学电气工程系

SCR的主要参数（续） • 通态平均电流ITA 北方交通大学电气工程系

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：电流有效值北方交通大学电气工程系

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北方交通大学电气工程系

SCR的主要参数（续） • 门极参数以三菱公司的TM400HA－M为例北方交通大学电气工程系

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 北方交通大学电气工程系

晶闸管家族的其它器件（续） • 双向晶闸管（Bi - directional Thyristor） • TRIAC 北方交通大学电气工程系

可关断晶闸管（GTO） • 名称 • Gate Turn off Thyristor，简称GTO • 符号北方交通大学电气工程系

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电流增益北方交通大学电气工程系

GTO的阳极伏安特性 • 逆阻型 • 逆导型北方交通大学电气工程系

GTO的开通特性 ton : 开通时间 td: 延迟时间 tr : 上升时间 ton = td + tr 北方交通大学电气工程系

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 toff = ts + tf +（tt）北方交通大学电气工程系

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 • 阳极电流上升率 di/dt 北方交通大学电气工程系

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 • 安全工作区宽北方交通大学电气工程系

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 • 达林顿模块北方交通大学电气工程系

GTR的输出特性 • 基本上同三极管（Ⅰ）截止区（Ⅱ）放大区（Ⅲ）临界饱和区（Ⅳ）深饱和区北方交通大学电气工程系

GTR的电压极限值 BVCER BVCEO BVCES BVCEX BVCEX > BVCES > BVCER > BVCEO 北方交通大学电气工程系

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。 • 性质 • 热击穿北方交通大学电气工程系

GTR的安全工作区 正向偏置安全工作区（FBSOA）反向偏置安全工作区（RBSOA）北方交通大学电气工程系

电力 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 { { 北方交通大学电气工程系

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。北方交通大学电气工程系

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）开启电压北方交通大学电气工程系

电力 MOSFET 的输出特性 （Ⅰ）截止区（Ⅱ）饱和区（Ⅲ）非饱和区（Ⅳ）雪崩区北方交通大学电气工程系

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 • 注意防静电北方交通大学电气工程系

绝缘栅双极晶体管（IGBT） • 符号 • 工作原理 • 由MOSFET和GTR复合而成 • 等效电路如右北方交通大学电气工程系

IGBT的伏安特性 伏安特性示意图实际的伏安特性北方交通大学电气工程系

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 北方交通大学电气工程系

IGBT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北方交通大学电气工程系

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 北方交通大学电气工程系

常用器件性能比较 GTO GTR IGBT MOSFET 驱动信号电流电流电压电压驱动功率大大中小通态压降小小中大开关速度慢较慢中快通过电流能力大较大中小北方交通大学电气工程系

第一章 电力电子器件的原理与特性