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1、器件原理 第一章 电力电子器件的原理与特性 1北方交通大学电气工程系 器件原理 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。 2北方交通大学电气工程系 器件原理 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
2、 3北方交通大学电气工程系 器件原理 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 ) 4北方交通大学电气工程系 器件原理 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、
3、导通压降低的优点； 又有输入阻抗高、响应速度快的优点。 5北方交通大学电气工程系 器件原理 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 6北方交通大学电气工程系 器件原理 晶闸管（SCR） 名称 晶闸管 （Thyristor） 可控硅 （SCR） 外形与符号 7北方交通大学电气工程系 器件原理 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，
4、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。 8北方交通大学电气工程系 器件原理 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） 9北方交通大学电气工程系 器件原理 SCR的工作原理 10北方交通大学电气工程系 器件原理 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 11北方交通大学电气工程系 器件原理 SCR的主要参数 SCR的电压定额 断态重复峰
5、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 4ITA 或更多） 12北方交通大学电气工程系 器件原理 SCR的主要参数（续） 通态平均电流 ITA 13北方交通大学电气工程系 器件原理 课 堂 思 考 （二） 通过SCR的电流波形 如图所示，Im300A 试选取SCR的ITA 解：电流有效值 14北方交通大学电气工程系 器件原理 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
6、 可使晶闸管内部局部过热而损坏 15北方交通大学电气工程系 器件原理 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 16北方交通大学电气工程系 器件原理 晶闸管家族的其它器件（续） 双向晶闸管（Bi - directional Thyristor） TRIAC 17北方交通大学电气工程系 器件原理 可关断晶闸管（GTO） 名称 Gate Turn off Thyristor，简称GTO 符号 18北方交通大学电气工程系 器件原理 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
7、较小 电流增益 19北方交通大学电气工程系 器件原理 GTO的阳极伏安特性 逆阻型 逆导型 20北方交通大学电气工程系 器件原理 GTO的开通特性 ton : 开通时间 td: 延迟时间 tr : 上升时间 ton = td + tr 21北方交通大学电气工程系 器件原理 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） 22北方交通大学电气工程系 器件原理 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 d
8、v/dt 动态 dv/dt 阳极电流上升率 di/dt 23北方交通大学电气工程系 器件原理 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 24北方交通大学电气工程系 器件原理 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 25北方交通大学电气工程系 器件原理 GTR的输出特性 基本上同三极管 （）截止区 （）放大区 （）临界饱和区 （）深饱和区 26北方交通大学电气工程系 器件原理 GTR的电压极限值 BVC
9、EO BVCESBVCEX BVCER BVCEX BVCES BVCER BVCEO 27北方交通大学电气工程系 器件原理 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 28北方交通大学电气工程系 器件原理 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） 29北方交通大学电气工程系 器件原理 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 30北方交通大学电气工程系 器件原理 电力 MOSFET 的特点 单极型器件 优点 开关速度很快，工作频率
10、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。 31北方交通大学电气工程系 器件原理 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 32北方交通大学电气工程系 器件原理 电力 MOSFET 的输出特性 （）截止区 （）饱和区 （）非饱和区 （）雪崩区 33北方交通大学电气工程系 器件原理 电力 MOSFET 的安全工作区 电力 MOSFET 无 反向阻断 能力 MOSFET 无 二
11、次击穿问题 注意防静电 34北方交通大学电气工程系 器件原理 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 35北方交通大学电气工程系 器件原理 IGBT的伏安特性 伏安特性示意图实际的伏安特性 36北方交通大学电气工程系 器件原理 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 37北方交通大学电气工程系 器件原理 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 38北方交通大学电气工程系 器件原理 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 39北方交通大学电气工程系 器件原理 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 40北方交通大学电气工程系
