华北电力大学电力电子技术原理

第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2/2/20231第一页，共45页。第二章电力电子器件电子开关的实现：可能性2/2/20232第二页，共45页。电子开关的实现：问题两个SPST开关并不完全等价于一个SPDT开关电力电子器件并不能完全等价于SPST开关电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电路的工作第二章电力电子器件.2/2/20233第三页，共45页。两个SPST开关并不完全等价于一个SPDT开关电力电子器件并不能完全等价于SPST开关电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电路的工作电子开关的实现：问题两开关可能会同时通或同时断第二章电力电子器件2/2/20234第四页，共45页。两个SPST开关并不完全等价于一个SPDT开关电力电子器件并不能完全等价于SPST开关电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电路的工作电子开关的实现：问题单向导通单向阻断不可控器件半可控器件第二章电力电子器件2/2/20235第五页，共45页。两个SPST开关并不完全等价于一个SPDT开关电力电子器件并不能完全等价于SPST开关电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电路的工作电子开关的实现：问题二极管的单向导电特性使得DC/DC换流器出现连续电流工作形式第二章电力电子器件2/2/20236第六页，共45页。理想的开关器件关断时可承受正、反向电压〔越高越好〕开通时可流过正、反向电流〔越大越好〕开通态、关断态均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〕开关寿命长〔允许的开关次数越多越好〕第二章电力电子器件2/2/20237第七页，共45页。功率半导体器件的状态导通态〔on〕关断态〔off〕切换态〔换流与换相〕第二章电力电子器件2/2/20238第八页，共45页。功率半导体器件〔实际电力电子开关〕可承受单向或双向断态电压可流过单向或双向通态电流导通态和关断态的损耗可承受切换过程的损耗可承受切换速度可承受正确应用时寿命很长第二章电力电子器件2/2/20239第九页，共45页。功率半导体器件〔实际电力电子开关〕F:ForwardR:ReverseB:BidirectionC:ConductingB:Blocking第二章电力电子器件2/2/202310第十页，共45页。功率半导体器件分类不控型－整流二极管半控型－晶闸管全控型－GTO、BJT、IGBT、MOSFET……第二章电力电子器件2/2/202311第十一页，共45页。换流技术及电子开关器件年谱第二章电力电子器件2/2/202312第十二页，共45页。功率二极管P-N结型半导体器件单向导电器件非线性器件电力系统谐波问题计算机仿真的困难第二章电力电子器件2/2/202313第十三页，共45页。功率二极管vDiDKA-+vDiDVB0VF(I)反向阻断区IvDiD0符号实际伏安特性理想伏安特性第二章电力电子器件2/2/202314第十四页，共45页。晶闸管四层三端半导体器件半可控电器件〔控通不控断〕非线性器件电力系统谐波问题计算机仿真的困难第二章电力电子器件2/2/202315第十五页，共45页。vAKiGKA-+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vAKiA0导通态导通过程正向阻断反向阻断vAKiA0G晶闸管符号实际伏安特性理想伏安特性第二章电力电子器件2/2/202316第十六页，共45页。晶闸管第二章电力电子器件2/2/202317第十七页，共45页。螺栓型晶闸管外观第二章电力电子器件2/2/202318第十八页，共45页。螺栓型晶闸管外观第二章电力电子器件2/2/202319第十九页，共45页。平板型晶闸管外观第二章电力电子器件2/2/202320第二十页，共45页。平板型晶闸管外观第二章电力电子器件2/2/202321第二十一页，共45页。换流器中的晶闸管组件第二章电力电子器件2/2/202322第二十二页，共45页。高压直流输电换流器第二章电力电子器件2/2/202323第二十三页，共45页。常用全控型电力电子器件功率晶体管〔巨型晶体管，BJT，GTR〕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〔IGBT〕门极可关断晶闸管〔GTO〕……第二章电力电子器件2/2/202324第二十四页，共45页。功率晶体管电流控制器件用于中小功率场合〔数十千瓦～数百千瓦〕开关频率较低〔数千赫兹以下〕二次击穿问题第二章电力电子器件2/2/202325第二十五页，共45页。MOSFET电压控制器件用于小功率场合〔数十千瓦以下〕开关频率较高〔可至数兆赫兹〕无二次击穿问题第二章电力电子器件2/2/202326第二十六页，共45页。IGBT电压控制器件用于中小功率场合〔数十千瓦～数百千瓦〕开关频率中〔数十千赫兹以下〕掣住效应问题〔寄生晶闸管〕该功率等级目前最理想的器件第二章电力电子器件2/2/202327第二十七页，共45页。绝缘栅型双极型晶体管〔IGBT〕vDS-+iDvGS-+GDSvDSiD0vGS0OnOffvDSiD符号实际伏安特性理想伏安特性第二章电力电子器件2/2/202328第二十八页，共45页。小功率IGBT器件外观第二章电力电子器件2/2/202329第二十九页，共45页。IGBT功率模块外观第二章电力电子器件2/2/202330第三十页，共45页。IGBT功率模块外观〔侧面〕第二章电力电子器件2/2/202331第三十一页，共45页。IGBT功率模块外观〔底面〕第二章电力电子器件2/2/202332第三十二页，共45页。GTO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〕开关频率低〔千赫兹以下〕极大功率应用的〔几乎〕唯一选择第二章电力电子器件2/2/202333第三十三页，共45页。常用电力电子器件及其特性第二章电力电子器件2/2/202334第三十四页，共45页。常用电力电子器件组合及其特性第二章电力电子器件2/2/202335第三十五页，共45页。全可控四象限开关第二章电力电子器件2/2/202336第三十六页，共45页。替代二极管的可控开关第二章电力电子器件2/2/202337第三十七页，共45页。电力电子功率模块电力电子器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控制电路的集成第二章电力电子器件2/2/202338第三十八页，共45页。电力电子器件的应用场合第二章电力电子器件2/2/202339第三十九页，共45页。将来开展趋势高电压大电流低功耗高开关速度第二章电力电子器件2/2/202340第四十页，共45页。将来开展的技术走向基于硅材料的器件已接近极致新的半导体材料：砷化镓，碳化硅，……低导通压降，高击穿强度，耐高结温，……还远未成熟，有很长的路要走……第二章电力电子器件2/2/202341第四十一页，共45页。宽禁带电力电子器件SiC、GaN、AlN、AlGaN等性能令传统半导体材料Ge、Si、GaAs望尘莫及卓越的高温性能良好的导热性能非凡的抗电压击穿才能高的载流子饱和漂移速度第二章