可控硅原理及应用.ppt

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1、器件原理第一章第一章 电力电子器件的原理与特性电力电子器件的原理与特性 February 14,20001北方交通大学电气工程系器件原理要求及重点要求及重点要求：要求：了解电力电子器件的发展、分类与应用；了解电力电子器件的发展、分类与应用；理解和掌握理解和掌握SCRSCR、GTOGTO、GTRGTR（或或BJTBJT）、电力）、电力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT等常用器件的工作原理、电气等常用器件的工作原理、电气特性和主要参数。特性和主要参数。重点：重点：各种电力电子器件原理、性能上的不同点，各种电力电子器件原理、性能上的不同点，各自应用的场合各自应用的场合。February 1

2、4,20002北方交通大学电气工程系器件原理电力电子技术的发展电力电子技术的发展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）器件基础：以晶闸管为核心的晶闸管大家族器件基础：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基本特征：整流或交流到直流的顺变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）器件基础：高频率、全控的功率集成器件器件基础：高频率、全控的功率集成器件主要应用：脉宽调制（主要应用：脉宽调制（PWM）电路、零电电路、零电压零电流开关谐振电路、高频斩

3、波电路等压零电流开关谐振电路、高频斩波电路等基本特征：进入基本特征：进入逆变逆变时期时期 February 14,20003北方交通大学电气工程系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控型全控型电路电路“弱电化弱电化”，控制技术数字化，控制技术数字化多功能化多功能化专用化专用化ASIC February 14,20004北方交通大学电气工程系器件原理电力电子器件的发展电力电子器件的发展第一代第一代电力电子器件电力电子器件无关断能力的无关断能力的SCR第二代第二代电力电子器件电力电子器件有

4、关断能力的有关断能力的GTO、GTR等等第三代第三代电力电子器件电力电子器件性能优异的复合型器件如（性能优异的复合型器件如（IGBT）和智能）和智能器件器件IPM(Intelligent Power Module)等等 February 14,20005北方交通大学电气工程系器件原理电力电子器件的分类电力电子器件的分类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 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 (MOS

5、FET、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)February 14,20006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电力电子器件的基本特点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，二次击穿的可能性电流具有负的温度特性，二次击穿的可能性很小。很小。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。复合型器件复合型器件既有电流密度高、导通压降低

6、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、响应速度快的优点。又有输入阻抗高、响应速度快的优点。February 14,20007北方交通大学电气工程系器件原理电力电子器件的应用电力电子器件的应用决定应用场合的基本因素决定应用场合的基本因素输出容量输出容量工作频率工作频率应用举例应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 February 14,20008北方交通大学电气工程系器件原理晶闸管（晶闸管（SCR）名称名称晶闸管晶闸管（Thyristor）可控硅可控硅（SCR）外形与符号外形与符号 February 14,20009北方交通大学电气工程系器件原理SCR的导

7、通和关断条件的导通和关断条件当当SCR承受反向阳极电压时，不论门极承受何承受反向阳极电压时，不论门极承受何种电压，种电压，SCR均处于阻断状态。均处于阻断状态。当当SCR承受正向阳极电压时，仅在门极承受正承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下，向电压的情况下，SCR才能导通。才能导通。SCR在导通时，只要仍然承受一定正向阳极电在导通时，只要仍然承受一定正向阳极电压，不论门极电压如何，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，当在导通情况下，当主电路电流减少到一定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。February 14,20001

8、0北方交通大学电气工程系器件原理课课 堂堂 思思 考考（一）（一）调试如图所示晶闸管电路，在断开调试如图所示晶闸管电路，在断开Rd Rd 测量输测量输出电压出电压VdVd是否正确可调时，发现电压表是否正确可调时，发现电压表V V读数读数不正常，接上不正常，接上Rd Rd 后一切正常，为什么？（触后一切正常，为什么？（触发脉冲始终正常工作）发脉冲始终正常工作）February 14,200011北方交通大学电气工程系器件原理SCR的工作原理的工作原理 February 14,200012北方交通大学电气工程系器件原理SCR的特性的特性SCR的伏安特性的伏安特性 VRSM:反向不重反向不重 复峰值

9、电压复峰值电压 VBO：转折电压转折电压 IH：维持电流维持电流门极的伏安特性门极的伏安特性 February 14,200013北方交通大学电气工程系器件原理SCR的主要参数的主要参数SCR的电压定额的电压定额断态重复峰值电压断态重复峰值电压 VDRM反向重复峰值电压反向重复峰值电压 VRRM额定电压额定电压通态（峰值）电压通态（峰值）电压 VTMSCR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 4 ITA 或更多或更多）February 14,200014北方交通大学电气工程系器件原理SCR的主要参数的主要参数（续）（续）通态

10、平均电流通态平均电流 ITA February 14,200015北方交通大学电气工程系器件原理课课 堂堂 思思 考考（二）（二）通过通过SCR的电流波形的电流波形如图所示，如图所示，Im300A试选取试选取SCR的的ITA解：电流有效值解：电流有效值 February 14,200016北方交通大学电气工程系器件原理SCR的主要参数的主要参数（续）（续）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 可使晶闸管内部局部过热而损坏可使晶闸管内部局部过热

11、而损坏 February 14,200017北方交通大学电气工程系器件原理SCR的主要参数的主要参数（续）（续）门极参数门极参数以三菱公司的以三菱公司的TM400HAM为例为例 February 14,200018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晶闸管家族的其它器件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 February 14,200019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晶闸管家族的其它器件（续）（续）双向晶闸管双向晶闸管（Bi-directional Thyristo

12、r）TRIAC February 14,200020北方交通大学电气工程系器件原理可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）名称名称Gate Turn off Thyristor，简称简称GTO符号符号 February 14,200021北方交通大学电气工程系器件原理GTO的关断原理的关断原理GTO处于处于临界导通临界导通状态状态集电极电流集电极电流 IC1 占总电流的比例占总电流的比例较小较小 电流增益电流增益 February 14,200022北方交通大学电气工程系器件原理GTO的阳极伏安特性的阳极伏安特性逆阻型逆阻型逆导型逆导型 February 14,200023北方交通大学电气工程系器

13、件原理GTO的开通特性的开通特性ton:开通时间开通时间td:延迟时间延迟时间tr:上升时间上升时间ton=td+tr February 14,200024北方交通大学电气工程系器件原理GTO的关断特性的关断特性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）February 14,200025北方交通大学电气工程系器件原理GTO的主要参数的主要参数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 VPVP 过大可能引起过大可能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/

14、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 February 14,200026北方交通大学电气工程系器件原理电力晶体管（电力晶体管（GTR/BJT）名称名称巨型晶体管（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开关时间较短开关时间较短安全工作区宽安全工作区宽 February 14,200027北方交通大学电气工程系器件原理GTR的结构形式的结构形式单管电力晶体管（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

15、长关断时间较长达林顿模块达林顿模块 February 14,200028北方交通大学电气工程系器件原理GTR的输出特性的输出特性基本上同三极管基本上同三极管（）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 February 14,200029北方交通大学电气工程系器件原理GTR的电压极限值的电压极限值BVCEOBVCESBVCEXBVCERBVCEX BVCES BVCER BVCEO February 14,200030北方交通大学电气工程系器件原理GTR的二次击穿的二次击穿原因原因元件内部局部元件内部局部温度过高，引温度过高，引起电流急剧增起电流急剧增长

16、。长。性质性质热击穿热击穿 February 14,200031北方交通大学电气工程系器件原理GTR的安全工作区的安全工作区正向偏置安全工作区正向偏置安全工作区（FBSOA）反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区（RBSOA）February 14,200032北方交通大学电气工程系器件原理电力电力 MOSFET名称名称又称又称功率功率MOSFET或或电力场效应晶体管电力场效应晶体管分类分类 P 沟道沟道 增强型增强型 N 沟道沟道 耗尽型耗尽型符号符号 February 14,200033北方交通大学电气工程系器件原理电力电力 MOSFET 的特点的特点单极型器件单极型器件优点优点开关速度很快

17、，工作频率很高开关速度很快，工作频率很高;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。缺点缺点通态电阻较大，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，只适合小功率。单管容量难以提高，只适合小功率。February 14,200034北方交通大学电气工程系器件原理电力电力 MOSFET 的转移特性的转移特性ID=f（VGS）ID较大时，较大时，ID与与VGS间的关间的关系近似线性。系近似线性。跨导跨导 GFS =dID/dVGSVGS（th）开启电压开启电压 February 14,200035北方交通大学电

18、气工程系器件原理电力电力 MOSFET 的输出特性的输出特性（）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 February 14,200036北方交通大学电气工程系器件原理电力电力 MOSFET 的安全工作区的安全工作区电力电力 MOSFET无无 反向阻断反向阻断能力能力MOSFET 无无二次击穿问题二次击穿问题注意防静电注意防静电 February 14,200037北方交通大学电气工程系器件原理绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）符号符号工作原理工作原理由由MOSFET和和GTR复合而成复合而成等效电路如右等效电路如右 February 14,20

19、0038北方交通大学电气工程系器件原理IGBT的伏安特性的伏安特性伏安特性示意图伏安特性示意图实际的伏安特性实际的伏安特性 February 14,200039北方交通大学电气工程系器件原理IGBT的擎住效应的擎住效应产生原因产生原因内部存在内部存在NPN 型寄生晶体管型寄生晶体管避免方法避免方法使漏极电流使漏极电流不超过不超过IDM减小重加减小重加dvds/dt February 14,200040北方交通大学电气工程系器件原理IGBT的安全工作区的安全工作区栅极布线应注意：栅极布线应注意：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

20、连线时，应采用双绞线。正向安全工作区正向安全工作区反向安全工作区反向安全工作区 February 14,200041北方交通大学电气工程系器件原理其它新型场控器件其它新型场控器件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 SITHMOS 控制晶闸管控制晶闸管 MCT智能型器件智能型器件 IPM February 14,200042北方交通大学电气工程系器件原理常用器件性能比较常用器件性能比较 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 快快通过电流能力通过电流能力 大大 较大较大 中中 小小 February 14,200043北方交通大学电气工程系