华电研究生现代电力电子课件2

1、电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用2第二章第二章 电力电子器件电力电子器件电子开关的实现：可能性电子开关的实现：可能性现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用3电子开关的实现：问题电子开关的实现：问题 两个两个SPST开关并不完全等价于一个开关并不完全等价于一个SPDT开关开关 电力电子器件并不能完全等价于电力电子器件并不能完全等价于SPST开关开关 电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电路的工作路的工作 电力电子器件的通、断可能依赖于主电路状态电力电子器件的通、断可能依赖于主电路状态第二章第二章 电

2、力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用4电子开关的实现：问题电子开关的实现：问题 两个两个SPST开关并不完全等价于一个开关并不完全等价于一个SPDT开关开关 电力电子器件并不能完全等价于电力电子器件并不能完全等价于SPST开关开关 电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电路的工作路的工作 电力电子器件的通、断可能依赖于主电路状态电力电子器件的通、断可能依赖于主电路状态两开关可能会同时通或同时断两开关可能会同时通或同时断第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用5电子开关

3、的实现：问题电子开关的实现：问题 两个两个SPST开关并不完全等价于一个开关并不完全等价于一个SPDT开关开关 电力电子器件并不能完全等价于电力电子器件并不能完全等价于SPST开关开关 电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电路的工作路的工作 电力电子器件的通、断可能依赖于主电路状态电力电子器件的通、断可能依赖于主电路状态 单向导通单向导通 单向阻断单向阻断 不可控器件不可控器件 半可控器件半可控器件第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用6电子开关的实现：问题电子开关的实现：问题 两个两个SPST开关并

4、不完全等价于一个开关并不完全等价于一个SPDT开关开关 电力电子器件并不能完全等价于电力电子器件并不能完全等价于SPST开关开关 电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电路的工作路的工作 电力电子器件的通、断可能依赖于主电路状态电力电子器件的通、断可能依赖于主电路状态二极管的单向导电特性使得二极管的单向导电特性使得DC/DC换流器出现间断电流工作模式换流器出现间断电流工作模式第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用7电子开关的实现：问题电子开关的实现：问题 两个两个SPST开关并不完全等价于一个开关并不完

5、全等价于一个SPDT开关开关 电力电子器件并不能完全等价于电力电子器件并不能完全等价于SPST开关开关 电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电路的工作路的工作 电力电子器件的通、断可能依赖于主电路状态电力电子器件的通、断可能依赖于主电路状态二极管、晶闸管的单向导通特性二极管、晶闸管的单向导通特性第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用8理想的开关器件理想的开关器件 关断时可承受正、反向电压（越高越好）关断时可承受正、反向电压（越高越好） 开通时可流过正、反向电流（越大越好）开通时可流过正、反向电流（越大

6、越好） 开通态、关断态均无损耗开通态、关断态均无损耗 状态转换过程无损耗状态转换过程无损耗 状态转换过程快速完成（越快越好）状态转换过程快速完成（越快越好） 开关寿命长（允许的开关次数越多越好）开关寿命长（允许的开关次数越多越好）第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用9功率半导体器件的状态功率半导体器件的状态 导通态（导通态（on） 关断态（关断态（off） 切换态（换流与换相）切换态（换流与换相）第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用10功率半导体器件（实际电力电子开关）功率半导体器件（实

7、际电力电子开关） 可承受单向或双向断态电压可承受单向或双向断态电压 可流过单向或双向通态电流可流过单向或双向通态电流 导通态和关断态的损耗可接受导通态和关断态的损耗可接受 切换过程的损耗可接受切换过程的损耗可接受 切换速度可接受切换速度可接受 正确应用时寿命很长正确应用时寿命很长第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用11功率半导体器件（实际电力电子开关）功率半导体器件（实际电力电子开关）F: ForwardR: ReverseB: BidirectionC: ConductingB: Blocking第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代

8、电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用12功率半导体器件分类功率半导体器件分类 不控型整流二极管不控型整流二极管 半控型晶闸管半控型晶闸管 全控型全控型GTO、BJT、IGBT、MOSFET 第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用13换流技术及电子开关器件年谱换流技术及电子开关器件年谱第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用14功率二极管功率二极管 P- -N结型半导体器件结型半导体器件 单向导电器件单向导电器件 非线性器件非线性器件第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子

9、技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用15功率二极管功率二极管vDiDKA-+vDiDVB0VF (I)反向阻断区IvDiD0符号符号实际伏安特性实际伏安特性理想伏安特性理想伏安特性第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用16晶闸管晶闸管 四层三端半导体器件四层三端半导体器件 半可控电器件（控通不控断）半可控电器件（控通不控断） 非线性器件非线性器件第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用17vAKiGKA-+iA反向阻断区反向击穿电压反向击穿正向转折电压导通态关断态脉冲电流作用下导通过程vA

10、KiA0导通态导通过程正向阻断反向阻断vAKiA0G晶闸管晶闸管符号符号实际伏安特性实际伏安特性理想伏安特性理想伏安特性第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用18晶闸管晶闸管第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用19螺栓型晶闸管外观螺栓型晶闸管外观第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用20螺栓型晶闸管外观螺栓型晶闸管外观第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用21平板型晶闸管外观平板型晶闸管

11、外观第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用22平板型晶闸管外观平板型晶闸管外观第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用23换流器中的晶闸管组件换流器中的晶闸管组件第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用24高压直流输电高压直流输电换流器换流器第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用25常用全控型电力电子器件常用全控型电力电子器件 功率晶体管（巨型晶体管，功率晶体管（巨型晶体管，BJT，GTR）

12、金属氧化物半导体场效应晶体管（金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET） 绝缘栅型双极型晶体管（绝缘栅型双极型晶体管（IGBT） 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO） 第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用26功率晶体管功率晶体管 电流控制器件电流控制器件 用于中小功率场合（数十千瓦数百千瓦）用于中小功率场合（数十千瓦数百千瓦） 开关频率较低（数千赫兹以下）开关频率较低（数千赫兹以下） 二次击穿问题二次击穿问题第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用27MOSFET 电压控制器件电压

13、控制器件 用于小功率场合（数十千瓦以下）用于小功率场合（数十千瓦以下） 开关频率较高（可至数兆赫兹）开关频率较高（可至数兆赫兹） 无二次击穿问题无二次击穿问题第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用28IGBT 电压控制器件电压控制器件 用于中小功率场合（数十千瓦数百千瓦）用于中小功率场合（数十千瓦数百千瓦） 开关频率中（数十千赫兹以下）开关频率中（数十千赫兹以下） 掣住效应问题（寄生晶闸管）掣住效应问题（寄生晶闸管） 该功率等级目前最理想的器件该功率等级目前最理想的器件第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电

14、子技术原理与应用29绝缘栅型双极型晶体管（绝缘栅型双极型晶体管（IGBT）vDS-+iDvGS-+GDSvDSiD0vGS0OnOffvDSiD符号符号实际伏安特性实际伏安特性理想伏安特性理想伏安特性第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用30小功率小功率IGBT器件外观器件外观第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用31IGBT功率模块外观功率模块外观第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用32IGBT功率模块外观（侧面）功率模块外观（侧面）第

15、二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用33IGBT功率模块外观（底面）功率模块外观（底面）第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用34GTO 电流控制器件（关断控制电流很大）电流控制器件（关断控制电流很大） 用于（极）大功率场合（可至数十兆瓦）用于（极）大功率场合（可至数十兆瓦） 开关频率低（千赫兹以下）开关频率低（千赫兹以下） 极大功率应用的（几乎）唯一选择极大功率应用的（几乎）唯一选择第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用35常用电力电子器

16、件及其特性常用电力电子器件及其特性第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用36常用电力电子器件组合及其特性常用电力电子器件组合及其特性第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用37全可控四象限开关全可控四象限开关第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用38替代二极管的可控开关替代二极管的可控开关第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用39电力电子功率模块电力电子功率模块 电力电子器件的集成电力电子器

17、件的集成 电力电子器件与驱动、保护电路的集成电力电子器件与驱动、保护电路的集成 电力电子器件与控制电路的集成电力电子器件与控制电路的集成第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用40大直径LTT：8kV,4kA，用于HVDC 等更大硅片直径大直径GTO：6kV，6kA，用于SVG、 APF大功率 IGBT：1.2kV，1kA，用于CVCF等大功率IPM：1.2kV，0.6kA，用于风力发电逆变更高电压等级IGBT/IPM更大功率水平IGBT/IPM高频单器件IGBT：1kV，60A，用于加热容器高频单器件IGBT：1.7kV，15A，用于CRT

18、等功率MOSFET：中高电压等级，用于SMPS等低功耗系统集成化ThyristorTRIACGTOBJTIGBTIPMMOSFETIGBT10M101001k10k100k1M 器件容量101001k10k100k100M1M10M工作频率(Hz)电力电子器件的应用场合电力电子器件的应用场合第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用41未来发展趋势未来发展趋势 高电压高电压 大电流大电流 低功耗低功耗 高开关速度高开关速度第二章第二章 电力电子器件电力电子器件现代电力电子技术原理与应用现代电力电子技术原理与应用42未来发展的技术走向未来发展的技术走向 基于硅材料的器件已接近极致基于硅材料的器件已接近极致 新的半导体材料：新的半导体材料： 砷化镓，碳化硅，砷化镓，碳化硅， 低导通压降，高击穿