电力电子器件的原理与特性ppt课件

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1、器件原理器件原理 要求：要求：了解电力电子器件的开展、分类与运用；了解电力电子器件的开展、分类与运用；了解和掌握了解和掌握SCRSCR、GTOGTO、GTRGTR或或BJTBJT、电力、电力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT等常用器件的任务原理、电气特等常用器件的任务原理、电气特性和主要参数。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，各各种电力电子器件原理、性能上的不同点，各自运用的场所。自运用的场所。器件原理 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 器件根底：以晶闸管为中心的晶闸管大家族器件根底：以晶闸管为中心的晶闸管大家族 主要运用

2、：相控整流器、直流斩波器等主要运用：相控整流器、直流斩波器等 根本特征：整流或交流到直流的顺变根本特征：整流或交流到直流的顺变 现代的电力电子技术阶段现代的电力电子技术阶段1980年至今年至今 器件根底：高频率、全控的功率集成器件器件根底：高频率、全控的功率集成器件 主要运用：脉宽调制主要运用：脉宽调制PWM电路、零电压电路、零电压零电流开关谐振电路、高频斩波电路等零电流开关谐振电路、高频斩波电路等 根本特征：进入逆变时期根本特征：进入逆变时期器件原理 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

3、控型全控型 电路电路“弱电化，控制技术数字化弱电化，控制技术数字化 多功能化多功能化 公用化公用化 ASIC器件原理 第一代电力电子器件第一代电力电子器件 无关断才干的无关断才干的SCR 第二代电力电子器件第二代电力电子器件 有关断才干的有关断才干的GTO、GTR等等 第三代电力电子器件第三代电力电子器件 性能优良的复合型器件如性能优良的复合型器件如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

4、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)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 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，二次击穿的能够性很电流具有负的温度特性，二次击穿的能够性很小。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

5、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、导通压降低的优点；又有输入阻抗高、呼应速度快的优点。又有输入阻抗高、呼应速度快的优点。器件原理 决议运用场所的根本要素决议运用场所的根本要素 输出容量输出容量 任务频率任务频率 运用举例运用举例 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 称号称号 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 当当SCR接受反向阳极电压时，不论门极接受何接受反向阳极电压时，不论门极接受何种电压，种电压，SCR均处于阻断形状。均处于阻断形状。当当SCR接受正向阳极电压时，仅在门极接受正接受正向阳极电

6、压时，仅在门极接受正向电压的情况下，向电压的情况下，SCR才干导通。才干导通。SCR在导通时，只需依然接受一定正向阳极电在导通时，只需依然接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，当主电路电流减少到一定在导通情况下，当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 调试如下图晶闸管电路，在断开调试如下图晶闸管电路，在断开Rd Rd 丈量输出丈量输出电压电压VdVd能否正确可调时，发现电压表能否正确可调时，发现电压表V V读数不读数不正常，接上正常，接上Rd Rd 后一切正常，为什么？触发后一切正常，为

7、什么？触发脉冲一直正常任务脉冲一直正常任务器件原理器件原理 SCR的伏安特性的伏安特性 VRSM:反向不重反向不重 复峰值电压复峰值电压 VBO：转机电压：转机电压 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 SCR的电压定额的电压定额 断态反复峰值电压断态反复峰值电压 VDRM 反向反复峰值电压反向反复峰值电压 VRRM 额定电压额定电压 通态峰值电压通态峰值电压 VTM SCR的电流定额的电流定额 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 4ITA 或更多或更多器件原理 通态平均电流通态平均电流 ITAmmTAIttdII)(

8、sin2102)()sin(2120mmItdtII57.12TAII器件原理 经过经过SCR的电流波形的电流波形如下图，如下图，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 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 可使晶闸管内部部分过热而损坏可使晶闸管内部部分过热而损坏器件原理 门极参数门极参数以三菱公司的以三菱公

9、司的TM400HAM为例为例器件原理 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 双向晶闸管双向晶闸管Bi-directional Thyristor TRIAC器件原理 称号称号 Gate Turn off Thyristor，简称，简称GTO 符号符号器件原理 GTO处于临界导通形状处于临界导通形状 集电极电流集电极电流 IC1 占总电流的比例较小占总电流的比例较小 电流增益电流增益GMTGQMoffII器件原理 逆阻型逆阻型 逆导型逆导型器件原理ton:开通时间开通时间td:延迟时间延迟时间tr:上

10、升时间上升时间ton=td+tr器件原理toff: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 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 过大能够引起过大能够引起 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 称号称号 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

11、开关时间较短开关时间较短 平安任务区宽平安任务区宽器件原理 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 根本上同三极管根本上同三极管 截止区截止区 放大区放大区 临界饱和区临界饱和区 深饱和区深饱和区器件原理BVCEOBVCESBVCEXBVCERBVCEX BVCES BVCER BVCEO器件原理 缘由缘由 元件内部部分元件内部部分温度过高，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正向偏置平安任务区正向偏置平安任务区FBSOA反向偏置平安

12、任务区反向偏置平安任务区RBSOA器件原理 称号称号 又称功率又称功率MOSFET或电力场效应晶体管或电力场效应晶体管 分类分类 P 沟道沟道 加强型加强型 N 沟道沟道 耗尽型耗尽型 符号符号器件原理 单极型器件单极型器件 优点优点 开关速度很快，任务频率很高开关速度很快，任务频率很高;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。缺陷缺陷 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，只适宜小功率。单管容量难以提高，只适宜小功率。器件原理 ID=fVGS ID较大时，较大时，ID与与VGS间的关

13、间的关系近似线性。系近似线性。跨导跨导 GFS =dID/dVGS VGSth开启电压开启电压器件原理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 电力电力 MOSFET无无 反向阻断反向阻断才干才干 MOSFET 无无二次击穿问题二次击穿问题 留意防静电留意防静电器件原理 符号符号 任务原理任务原理 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伏安特性表示图伏安特性表示图实践的伏安特性实践的伏安特性器件原理 产生缘由产生缘由 内部存在内部存在NPN 型寄生晶体管型寄生晶体管 防止方法防止方法 使漏极电流使漏极电流不超越不超越IDM 减小重加减小

14、重加dvds/dt器件原理 栅极布线应留意：栅极布线应留意：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。正向平安任务区正向平安任务区反向平安任务区反向平安任务区器件原理 静电感应晶体管静电感应晶体管 SIT 静电感应晶闸管静电感应晶闸管 SITH MOS 控制晶闸管控制晶闸管 MCT 智能型器件智能型器件 IPM器件原理 GTO GTR IGBT MOSFET驱动信号驱动信号 电流电流 电流电流 电压电压 电压电压驱动功率驱动功率 大大 大大 中中 小小通态压降通态压降 小小 小小 中中 大大开关速度开关速度 慢慢 较慢较慢 中中 快快经过电流才干经过电流才干 大大 较大较大 中中 小小