華電研究生現(xiàn)代電力電子課件2

1、電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用2第二章第二章 電力電子器件電力電子器件電子開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)：可能性電子開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)：可能性現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用3電子開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)栴}電子開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)栴} 兩個(gè)兩個(gè)SPST開(kāi)關(guān)并不完全等價(jià)于一個(gè)開(kāi)關(guān)并不完全等價(jià)于一個(gè)SPDT開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān) 電力電子器件并不能完全等價(jià)于電力電子器件并不能完全等價(jià)于SPST開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān) 電力電子器件的某些特性可能會(huì)顯著地影響電電力電子器件的某些特性可能會(huì)顯著地影響電路的工作路的工作 電力電子器件的通、斷可能依賴于主電路狀態(tài)電力電子器件的通、斷可能依賴于主電路狀態(tài)第二章第二章 電

2、力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用4電子開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)栴}電子開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)栴} 兩個(gè)兩個(gè)SPST開(kāi)關(guān)并不完全等價(jià)于一個(gè)開(kāi)關(guān)并不完全等價(jià)于一個(gè)SPDT開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān) 電力電子器件并不能完全等價(jià)于電力電子器件并不能完全等價(jià)于SPST開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān) 電力電子器件的某些特性可能會(huì)顯著地影響電電力電子器件的某些特性可能會(huì)顯著地影響電路的工作路的工作 電力電子器件的通、斷可能依賴于主電路狀態(tài)電力電子器件的通、斷可能依賴于主電路狀態(tài)兩開(kāi)關(guān)可能會(huì)同時(shí)通或同時(shí)斷兩開(kāi)關(guān)可能會(huì)同時(shí)通或同時(shí)斷第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用5電子開(kāi)關(guān)

3、的實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)栴}電子開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)栴} 兩個(gè)兩個(gè)SPST開(kāi)關(guān)并不完全等價(jià)于一個(gè)開(kāi)關(guān)并不完全等價(jià)于一個(gè)SPDT開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān) 電力電子器件并不能完全等價(jià)于電力電子器件并不能完全等價(jià)于SPST開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān) 電力電子器件的某些特性可能會(huì)顯著地影響電電力電子器件的某些特性可能會(huì)顯著地影響電路的工作路的工作 電力電子器件的通、斷可能依賴于主電路狀態(tài)電力電子器件的通、斷可能依賴于主電路狀態(tài) 單向?qū)▎蜗驅(qū)?單向阻斷單向阻斷 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 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用6電子開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)栴}電子開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)栴} 兩個(gè)兩個(gè)SPST開(kāi)關(guān)并

4、不完全等價(jià)于一個(gè)開(kāi)關(guān)并不完全等價(jià)于一個(gè)SPDT開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān) 電力電子器件并不能完全等價(jià)于電力電子器件并不能完全等價(jià)于SPST開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān) 電力電子器件的某些特性可能會(huì)顯著地影響電電力電子器件的某些特性可能會(huì)顯著地影響電路的工作路的工作 電力電子器件的通、斷可能依賴于主電路狀態(tài)電力電子器件的通、斷可能依賴于主電路狀態(tài)二極管的單向?qū)щ娞匦允沟枚O管的單向?qū)щ娞匦允沟肈C/DC換流器出現(xiàn)間斷電流工作模式換流器出現(xiàn)間斷電流工作模式第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用7電子開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)栴}電子開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)栴} 兩個(gè)兩個(gè)SPST開(kāi)關(guān)并不完全等價(jià)于一個(gè)開(kāi)關(guān)并不完

5、全等價(jià)于一個(gè)SPDT開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān) 電力電子器件并不能完全等價(jià)于電力電子器件并不能完全等價(jià)于SPST開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān) 電力電子器件的某些特性可能會(huì)顯著地影響電電力電子器件的某些特性可能會(huì)顯著地影響電路的工作路的工作 電力電子器件的通、斷可能依賴于主電路狀態(tài)電力電子器件的通、斷可能依賴于主電路狀態(tài)二極管、晶閘管的單向?qū)ㄌ匦远O管、晶閘管的單向?qū)ㄌ匦缘诙碌诙?電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用8理想的開(kāi)關(guān)器件理想的開(kāi)關(guān)器件 關(guān)斷時(shí)可承受正、反向電壓（越高越好）關(guān)斷時(shí)可承受正、反向電壓（越高越好） 開(kāi)通時(shí)可流過(guò)正、反向電流（越大越好）開(kāi)通時(shí)可流過(guò)正、反向電流（越大

6、越好） 開(kāi)通態(tài)、關(guān)斷態(tài)均無(wú)損耗開(kāi)通態(tài)、關(guān)斷態(tài)均無(wú)損耗 狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程無(wú)損耗狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程無(wú)損耗 狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程快速完成（越快越好）狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程快速完成（越快越好） 開(kāi)關(guān)壽命長(zhǎng)（允許的開(kāi)關(guān)次數(shù)越多越好）開(kāi)關(guān)壽命長(zhǎng)（允許的開(kāi)關(guān)次數(shù)越多越好）第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用9功率半導(dǎo)體器件的狀態(tài)功率半導(dǎo)體器件的狀態(tài) 導(dǎo)通態(tài)（導(dǎo)通態(tài)（on） 關(guān)斷態(tài)（關(guān)斷態(tài)（off） 切換態(tài)（換流與換相）切換態(tài)（換流與換相）第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用10功率半導(dǎo)體器件（實(shí)際電力電子開(kāi)關(guān)）功率半導(dǎo)體器件（實(shí)

7、際電力電子開(kāi)關(guān)） 可承受單向或雙向斷態(tài)電壓可承受單向或雙向斷態(tài)電壓 可流過(guò)單向或雙向通態(tài)電流可流過(guò)單向或雙向通態(tài)電流 導(dǎo)通態(tài)和關(guān)斷態(tài)的損耗可接受導(dǎo)通態(tài)和關(guān)斷態(tài)的損耗可接受 切換過(guò)程的損耗可接受切換過(guò)程的損耗可接受 切換速度可接受切換速度可接受 正確應(yīng)用時(shí)壽命很長(zhǎng)正確應(yīng)用時(shí)壽命很長(zhǎng)第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用11功率半導(dǎo)體器件（實(shí)際電力電子開(kāi)關(guān)）功率半導(dǎo)體器件（實(shí)際電力電子開(kāi)關(guān)）F: ForwardR: ReverseB: BidirectionC: ConductingB: Blocking第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代

8、電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用12功率半導(dǎo)體器件分類功率半導(dǎo)體器件分類 不控型整流二極管不控型整流二極管 半控型晶閘管半控型晶閘管 全控型全控型GTO、BJT、IGBT、MOSFET 第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用13換流技術(shù)及電子開(kāi)關(guān)器件年譜換流技術(shù)及電子開(kāi)關(guān)器件年譜第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用14功率二極管功率二極管 P- -N結(jié)型半導(dǎo)體器件結(jié)型半導(dǎo)體器件 單向?qū)щ娖骷蜗驅(qū)щ娖骷?非線性器件非線性器件第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子

9、技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用15功率二極管功率二極管vDiDKA-+vDiDVB0VF (I)反向阻斷區(qū)IvDiD0符號(hào)符號(hào)實(shí)際伏安特性實(shí)際伏安特性理想伏安特性理想伏安特性第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用16晶閘管晶閘管 四層三端半導(dǎo)體器件四層三端半導(dǎo)體器件 半可控電器件（控通不控?cái)啵┌肟煽仉娖骷赝ú豢財(cái)啵?非線性器件非線性器件第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用17vAKiGKA-+iA反向阻斷區(qū)反向擊穿電壓反向擊穿正向轉(zhuǎn)折電壓導(dǎo)通態(tài)關(guān)斷態(tài)脈沖電流作用下導(dǎo)通過(guò)程vA

10、KiA0導(dǎo)通態(tài)導(dǎo)通過(guò)程正向阻斷反向阻斷vAKiA0G晶閘管晶閘管符號(hào)符號(hào)實(shí)際伏安特性實(shí)際伏安特性理想伏安特性理想伏安特性第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用18晶閘管晶閘管第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用19螺栓型晶閘管外觀螺栓型晶閘管外觀第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用20螺栓型晶閘管外觀螺栓型晶閘管外觀第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用21平板型晶閘管外觀平板型晶閘管

11、外觀第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用22平板型晶閘管外觀平板型晶閘管外觀第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用23換流器中的晶閘管組件換流器中的晶閘管組件第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用24高壓直流輸電高壓直流輸電換流器換流器第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用25常用全控型電力電子器件常用全控型電力電子器件 功率晶體管（巨型晶體管，功率晶體管（巨型晶體管，BJT，GTR）

12、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET） 絕緣柵型雙極型晶體管（絕緣柵型雙極型晶體管（IGBT） 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO） 第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用26功率晶體管功率晶體管 電流控制器件電流控制器件 用于中小功率場(chǎng)合（數(shù)十千瓦數(shù)百千瓦）用于中小功率場(chǎng)合（數(shù)十千瓦數(shù)百千瓦） 開(kāi)關(guān)頻率較低（數(shù)千赫茲以下）開(kāi)關(guān)頻率較低（數(shù)千赫茲以下） 二次擊穿問(wèn)題二次擊穿問(wèn)題第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用27MOSFET 電壓控制器件電壓

13、控制器件 用于小功率場(chǎng)合（數(shù)十千瓦以下）用于小功率場(chǎng)合（數(shù)十千瓦以下） 開(kāi)關(guān)頻率較高（可至數(shù)兆赫茲）開(kāi)關(guān)頻率較高（可至數(shù)兆赫茲） 無(wú)二次擊穿問(wèn)題無(wú)二次擊穿問(wèn)題第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用28IGBT 電壓控制器件電壓控制器件 用于中小功率場(chǎng)合（數(shù)十千瓦數(shù)百千瓦）用于中小功率場(chǎng)合（數(shù)十千瓦數(shù)百千瓦） 開(kāi)關(guān)頻率中（數(shù)十千赫茲以下）開(kāi)關(guān)頻率中（數(shù)十千赫茲以下） 掣住效應(yīng)問(wèn)題（寄生晶閘管）掣住效應(yīng)問(wèn)題（寄生晶閘管） 該功率等級(jí)目前最理想的器件該功率等級(jí)目前最理想的器件第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電

14、子技術(shù)原理與應(yīng)用29絕緣柵型雙極型晶體管（絕緣柵型雙極型晶體管（IGBT）vDS-+iDvGS-+GDSvDSiD0vGS0OnOffvDSiD符號(hào)符號(hào)實(shí)際伏安特性實(shí)際伏安特性理想伏安特性理想伏安特性第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用30小功率小功率IGBT器件外觀器件外觀第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用31IGBT功率模塊外觀功率模塊外觀第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用32IGBT功率模塊外觀（側(cè)面）功率模塊外觀（側(cè)面）第

15、二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用33IGBT功率模塊外觀（底面）功率模塊外觀（底面）第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用34GTO 電流控制器件（關(guān)斷控制電流很大）電流控制器件（關(guān)斷控制電流很大） 用于（極）大功率場(chǎng)合（可至數(shù)十兆瓦）用于（極）大功率場(chǎng)合（可至數(shù)十兆瓦） 開(kāi)關(guān)頻率低（千赫茲以下）開(kāi)關(guān)頻率低（千赫茲以下） 極大功率應(yīng)用的（幾乎）唯一選擇極大功率應(yīng)用的（幾乎）唯一選擇第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用35常用電力電子器

16、件及其特性常用電力電子器件及其特性第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用36常用電力電子器件組合及其特性常用電力電子器件組合及其特性第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用37全可控四象限開(kāi)關(guān)全可控四象限開(kāi)關(guān)第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用38替代二極管的可控開(kāi)關(guān)替代二極管的可控開(kāi)關(guān)第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用39電力電子功率模塊電力電子功率模塊 電力電子器件的集成電力電子器

17、件的集成 電力電子器件與驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路的集成電力電子器件與驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路的集成 電力電子器件與控制電路的集成電力電子器件與控制電路的集成第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用40大直徑LTT：8kV,4kA，用于HVDC 等更大硅片直徑大直徑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，用于風(fēng)力發(fā)電逆變更高電壓等級(jí)IGBT/IPM更大功率水平IGBT/IPM高頻單器件IGBT：1kV，60A，用于加熱容器高頻單器件IGBT：1.7kV，15A，用于CRT

18、等功率MOSFET：中高電壓等級(jí)，用于SMPS等低功耗系統(tǒng)集成化ThyristorTRIACGTOBJTIGBTIPMMOSFETIGBT10M101001k10k100k1M 器件容量101001k10k100k100M1M10M工作頻率(Hz)電力電子器件的應(yīng)用場(chǎng)合電力電子器件的應(yīng)用場(chǎng)合第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用41未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 高電壓高電壓 大電流大電流 低功耗低功耗 高開(kāi)關(guān)速度高開(kāi)關(guān)速度第二章第二章 電力電子器件電力電子器件現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用42未來(lái)發(fā)展的技術(shù)走向未來(lái)發(fā)展的技術(shù)走向 基于硅材料的器件已接近極致基于硅材料的器件已接近極致 新的半導(dǎo)體材料：新的半導(dǎo)體材料： 砷化鎵，碳化硅，砷化鎵，碳化硅， 低導(dǎo)通壓降，高擊穿