華北電力大學(xué)電力電子技術(shù)原理

第二章電力電子器件電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用2/2/20231第一頁，共45頁。第二章電力電子器件電子開關(guān)的實現(xiàn)：可能性2/2/20232第二頁，共45頁。電子開關(guān)的實現(xiàn)：問題兩個SPST開關(guān)并不完全等價于一個SPDT開關(guān)電力電子器件并不能完全等價于SPST開關(guān)電力電子器件的某些特性可能會顯著地影響電路的工作第二章電力電子器件.2/2/20233第三頁，共45頁。兩個SPST開關(guān)并不完全等價于一個SPDT開關(guān)電力電子器件并不能完全等價于SPST開關(guān)電力電子器件的某些特性可能會顯著地影響電路的工作電子開關(guān)的實現(xiàn)：問題兩開關(guān)可能會同時通或同時斷第二章電力電子器件2/2/20234第四頁，共45頁。兩個SPST開關(guān)并不完全等價于一個SPDT開關(guān)電力電子器件并不能完全等價于SPST開關(guān)電力電子器件的某些特性可能會顯著地影響電路的工作電子開關(guān)的實現(xiàn)：問題單向?qū)▎蜗蜃钄嗖豢煽仄骷肟煽仄骷诙码娏﹄娮悠骷?/2/20235第五頁，共45頁。兩個SPST開關(guān)并不完全等價于一個SPDT開關(guān)電力電子器件并不能完全等價于SPST開關(guān)電力電子器件的某些特性可能會顯著地影響電路的工作電子開關(guān)的實現(xiàn)：問題二極管的單向?qū)щ娞匦允沟肈C/DC換流器出現(xiàn)連續(xù)電流工作形式第二章電力電子器件2/2/20236第六頁，共45頁。理想的開關(guān)器件關(guān)斷時可承受正、反向電壓〔越高越好〕開通時可流過正、反向電流〔越大越好〕開通態(tài)、關(guān)斷態(tài)均無損耗狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程無損耗狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程快速完成〔越快越好〕開關(guān)壽命長〔允許的開關(guān)次數(shù)越多越好〕第二章電力電子器件2/2/20237第七頁，共45頁。功率半導(dǎo)體器件的狀態(tài)導(dǎo)通態(tài)〔on〕關(guān)斷態(tài)〔off〕切換態(tài)〔換流與換相〕第二章電力電子器件2/2/20238第八頁，共45頁。功率半導(dǎo)體器件〔實際電力電子開關(guān)〕可承受單向或雙向斷態(tài)電壓可流過單向或雙向通態(tài)電流導(dǎo)通態(tài)和關(guān)斷態(tài)的損耗可承受切換過程的損耗可承受切換速度可承受正確應(yīng)用時壽命很長第二章電力電子器件2/2/20239第九頁，共45頁。功率半導(dǎo)體器件〔實際電力電子開關(guān)〕F:ForwardR:ReverseB:BidirectionC:ConductingB:Blocking第二章電力電子器件2/2/202310第十頁，共45頁。功率半導(dǎo)體器件分類不控型－整流二極管半控型－晶閘管全控型－GTO、BJT、IGBT、MOSFET……第二章電力電子器件2/2/202311第十一頁，共45頁。換流技術(shù)及電子開關(guān)器件年譜第二章電力電子器件2/2/202312第十二頁，共45頁。功率二極管P-N結(jié)型半導(dǎo)體器件單向?qū)щ娖骷蔷€性器件電力系統(tǒng)諧波問題計算機(jī)仿真的困難第二章電力電子器件2/2/202313第十三頁，共45頁。功率二極管vDiDKA-+vDiDVB0VF(I)反向阻斷區(qū)IvDiD0符號實際伏安特性理想伏安特性第二章電力電子器件2/2/202314第十四頁，共45頁。晶閘管四層三端半導(dǎo)體器件半可控電器件〔控通不控斷〕非線性器件電力系統(tǒng)諧波問題計算機(jī)仿真的困難第二章電力電子器件2/2/202315第十五頁，共45頁。vAKiGKA-+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)通過程vAKiA0導(dǎo)通態(tài)導(dǎo)通過程正向阻斷反向阻斷vAKiA0G晶閘管符號實際伏安特性理想伏安特性第二章電力電子器件2/2/202316第十六頁，共45頁。晶閘管第二章電力電子器件2/2/202317第十七頁，共45頁。螺栓型晶閘管外觀第二章電力電子器件2/2/202318第十八頁，共45頁。螺栓型晶閘管外觀第二章電力電子器件2/2/202319第十九頁，共45頁。平板型晶閘管外觀第二章電力電子器件2/2/202320第二十頁，共45頁。平板型晶閘管外觀第二章電力電子器件2/2/202321第二十一頁，共45頁。換流器中的晶閘管組件第二章電力電子器件2/2/202322第二十二頁，共45頁。高壓直流輸電換流器第二章電力電子器件2/2/202323第二十三頁，共45頁。常用全控型電力電子器件功率晶體管〔巨型晶體管，BJT，GTR〕金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管〔MOSFET〕絕緣柵型雙極型晶體管〔IGBT〕門極可關(guān)斷晶閘管〔GTO〕……第二章電力電子器件2/2/202324第二十四頁，共45頁。功率晶體管電流控制器件用于中小功率場合〔數(shù)十千瓦～數(shù)百千瓦〕開關(guān)頻率較低〔數(shù)千赫茲以下〕二次擊穿問題第二章電力電子器件2/2/202325第二十五頁，共45頁。MOSFET電壓控制器件用于小功率場合〔數(shù)十千瓦以下〕開關(guān)頻率較高〔可至數(shù)兆赫茲〕無二次擊穿問題第二章電力電子器件2/2/202326第二十六頁，共45頁。IGBT電壓控制器件用于中小功率場合〔數(shù)十千瓦～數(shù)百千瓦〕開關(guān)頻率中〔數(shù)十千赫茲以下〕掣住效應(yīng)問題〔寄生晶閘管〕該功率等級目前最理想的器件第二章電力電子器件2/2/202327第二十七頁，共45頁。絕緣柵型雙極型晶體管〔IGBT〕vDS-+iDvGS-+GDSvDSiD0vGS0OnOffvDSiD符號實際伏安特性理想伏安特性第二章電力電子器件2/2/202328第二十八頁，共45頁。小功率IGBT器件外觀第二章電力電子器件2/2/202329第二十九頁，共45頁。IGBT功率模塊外觀第二章電力電子器件2/2/202330第三十頁，共45頁。IGBT功率模塊外觀〔側(cè)面〕第二章電力電子器件2/2/202331第三十一頁，共45頁。IGBT功率模塊外觀〔底面〕第二章電力電子器件2/2/202332第三十二頁，共45頁。GTO電流控制器件〔關(guān)斷控制電流很大〕用于〔極〕大功率場合〔可至數(shù)十兆瓦〕開關(guān)頻率低〔千赫茲以下〕極大功率應(yīng)用的〔幾乎〕唯一選擇第二章電力電子器件2/2/202333第三十三頁，共45頁。常用電力電子器件及其特性第二章電力電子器件2/2/202334第三十四頁，共45頁。常用電力電子器件組合及其特性第二章電力電子器件2/2/202335第三十五頁，共45頁。全可控四象限開關(guān)第二章電力電子器件2/2/202336第三十六頁，共45頁。替代二極管的可控開關(guān)第二章電力電子器件2/2/202337第三十七頁，共45頁。電力電子功率模塊電力電子器件的集成電力電子器件與驅(qū)動、保護(hù)電路的集成電力電子器件與控制電路的集成第二章電力電子器件2/2/202338第三十八頁，共45頁。電力電子器件的應(yīng)用場合第二章電力電子器件2/2/202339第三十九頁，共45頁。將來開展趨勢高電壓大電流低功耗高開關(guān)速度第二章電力電子器件2/2/202340第四十頁，共45頁。將來開展的技術(shù)走向基于硅材料的器件已接近極致新的半導(dǎo)體材料：砷化鎵，碳化硅，……低導(dǎo)通壓降，高擊穿強(qiáng)度，耐高結(jié)溫，……還遠(yuǎn)未成熟，有很長的路要走……第二章電力電子器件2/2/202341第四十一頁，共45頁。寬禁帶電力電子器件SiC、GaN、AlN、AlGaN等性能令傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料Ge、Si、GaAs望塵莫及卓越的高溫性能良好的導(dǎo)熱性能非凡的抗電壓擊穿才能高的載流子飽和漂移速度第二章