基礎(chǔ)概念課件

第一章電力電子器件基礎(chǔ)1.1基礎(chǔ)概念1.1基礎(chǔ)概念電力電子器件是指可直接用于處理電能的主電路，實現(xiàn)電能變換或控制的電子器件，通常專指電力半導(dǎo)體器件。和普通半導(dǎo)體器件一樣，目前電力半導(dǎo)體器件所用的主要材料仍然是硅。由于電力電子器件具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、響應(yīng)快等特點，用它構(gòu)成的變流裝置可靠性高、壽命長、容易維護(hù)，特別是它可節(jié)約能源，所以得到飛速的發(fā)展。1.電力電子器件的特征與信息電子中的半導(dǎo)體器件相比，電力電子器件有如下特點。(1)功率遠(yuǎn)大于信息電子器件，從mW~MW。電壓和電流等級是其最重要的參數(shù)。(2)電力電子器件，也稱為(功率)開關(guān)管。與信息電子電路不同，因電壓、電流等級高，為減小功率損耗，在電力電子電路中都工作在開關(guān)狀態(tài)(相當(dāng)于普通晶體管的飽和與截止?fàn)顟B(tài))，因而動態(tài)特性(開關(guān)特性)也是很重要的參數(shù)，有時甚至是最重要的參數(shù)；電力電子技術(shù)中，電力半導(dǎo)體器件工作方式為開關(guān)方式，工作狀態(tài)分為：①靜態(tài)：分為通態(tài)(on)和斷態(tài)(off)；②動態(tài)：分為開通(turnon)和關(guān)斷(tumoff)。半導(dǎo)體的開關(guān)管和接觸器等金屬開關(guān)的區(qū)別是：①金屬開關(guān)的導(dǎo)通電阻很低，而半導(dǎo)體開關(guān)管有1V以上的電壓降；金屬開關(guān)斷態(tài)時，基本無漏電流，而半導(dǎo)體器件處于斷態(tài)時有一定漏電流。②金屬開關(guān)頻率低，一般一秒只能通斷幾次，而半導(dǎo)體開關(guān)管頻率可以達(dá)到kHz~MHz；③金屬開關(guān)電流是雙向流動的，而通常半導(dǎo)體開關(guān)管電流是單方向流動的。(3)需要用驅(qū)動電路進(jìn)行驅(qū)動。(4)需要散熱器冷卻；包括風(fēng)冷、水(油)循環(huán)強(qiáng)迫式風(fēng)冷、相變式(沸騰)冷卻等。2、主要損耗電力電子器件的功率損耗包括靜態(tài)損耗和開關(guān)損耗。而靜態(tài)損耗又包括通態(tài)損耗和斷態(tài)損耗。(1)通態(tài)損耗；導(dǎo)通時器件上有一定的通態(tài)壓降。(2)斷態(tài)損耗：阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過。通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要因素。此外，對某些器件來講，驅(qū)動電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一。(3)開關(guān)損耗：包括開通損耗和關(guān)斷損耗。①開通損耗：在器件開通的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗；②關(guān)斷損耗：在器件關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗。當(dāng)器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。3.分類1)按開關(guān)控制性能分類(1)不控型器件：無控制，器件的導(dǎo)通與關(guān)斷完全由其在主電路中承受的電壓和電流決定，正偏置導(dǎo)通、反偏置關(guān)斷，如電力二極管(D)。(2)半控型器件：控制極(門極)能控制管子導(dǎo)通而不能控制管子關(guān)斷，器件的關(guān)斷完全由其在主電路中承受的電壓和電流決定，如晶閘管(SCR)及其家族器件(FST、RCT、TRIAC、LCT)。(3)全控型器件：通過控(門極或基極或極)是否施加驅(qū)動信號，能控制管子導(dǎo)通，又能控制管子關(guān)斷，如GTO、CTR、IGBT、MOSFET及其他新型場控器件MCT、IGCT、SIT、SITH、IPM等。與不控型器件對應(yīng)，半控型和全控型器件都稱為可控器件。2)按器件內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電的種類分類(1)單極型器件：開關(guān)頻率高，只有一種載流子參與導(dǎo)電，如MOSFET、SIT等。(迎點是導(dǎo)通電阻大、容量?。坏珒?yōu)點是開關(guān)頻率高，通常是電壓驅(qū)動型。(2)雙極型器件：有兩種載流子參與導(dǎo)電，如二極管、晶閘管、GTO、GTR、IGCT、SITH等。因為雙極型器件存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以容量大，但存在載流子的擴(kuò)散和復(fù)合等因素，開關(guān)頻率低。(3)復(fù)合型器件：由MOSFET與晶體管、晶閘管等雙極型器件復(fù)合而成，如IGBT、IPM、MCT等。它把單極型器件的高開關(guān)頻率、電壓驅(qū)動的優(yōu)點與雙極型器件的大容量和具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的優(yōu)點結(jié)合起來，對容量和開關(guān)頻率比較折中，因此整體性能最好。3)按門極驅(qū)動信號的種類(電流、電壓)分類(1)電流控制型器件：如晶閘管、GTO、GTR、IGCT、SITH等。(2)電壓控制型器件：如MOSFET、IGBT、IPM、SIT、MCT等。電壓控制型器件的驅(qū)動功率要遠(yuǎn)小于電流控制型器件、驅(qū)動電路也簡單，工作頻率高。此外，按照施加在電力電子器件的控制端和公共端的有效信號的波形分類，分為脈沖觸發(fā)型(晶閘管)和電平控制型(MOS-FET、GTR、IGBT等)。

4.常見的電力電子器件的開關(guān)頻率和容量各種常見的電力電子器件的開關(guān)頻率和容量，如圖1-1所示。開關(guān)頻率和容量不同，應(yīng)用的場合就不同。比如晶閘管雖然開關(guān)頻率低，但目前還是容量最大的器件，發(fā)電廠依然在使用。而電力MOSFET開關(guān)頻率高，但容量?。荒壳叭萘亢烷_關(guān)頻率都比較高的是IGBT，而且是電壓驅(qū)動型器件，在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。圖1-1各種常見電力電子器件的容量和開關(guān)頻率5.電力電子器件的發(fā)展與電力電子學(xué)的發(fā)展的關(guān)系電力電子技術(shù)包括電力電子器件的制造技術(shù)和電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)(變流技術(shù))兩部分。電力電子器件制造技術(shù)的發(fā)展決定著電力電子技術(shù)的發(fā)展。電力電子器件性能越優(yōu)越，電力電子電路就越簡單、可靠。同時電力電子技術(shù)的發(fā)展又促進(jìn)了電力電子器件制造技術(shù)的發(fā)展。晶閘管誕生前，稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期，電力電子技術(shù)還沒有完全獨(dú)立為一門學(xué)科，屬于模擬電路的范疇。晶閘管誕生后(1957年美國GE公司發(fā)明)，電力電子技術(shù)逐漸形成了獨(dú)立的理論，逐漸從模電中獨(dú)立出來，成為一門獨(dú)立的學(xué)科，電力電子技術(shù)從此進(jìn)入傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)時代，電能的變換從此進(jìn)入到以電力半導(dǎo)體器件組成的變流器時代。傳統(tǒng)的電力電子學(xué)的特點是以低頻技術(shù)為主，以晶閘管(SCR)為核心。晶閘管屬于第一代電力電子器件，缺點是開關(guān)頻率低，是門極不可關(guān)斷的半控型器件，但主要優(yōu)點是目前仍然是容量最大的器件，在低頻、大容量的場合，比如發(fā)電廠，仍然采用晶閘管。晶閘管及其派生器件仍廣泛應(yīng)用于各種變流器，并且還在發(fā)展中，其派生器件如快速SCR、逆導(dǎo)SCR(RCT)、雙向SCR(TRIAC)、不對稱SCR(ASCR)形成一個SCR大家族，在相當(dāng)長的一段時間不會退出歷史舞臺。隨著變流技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的需求，迫切需要門極可關(guān)斷的電力電子器件(全控型器件)，因此出現(xiàn)了第二代電力電子器件。包括：電力晶體管(GTR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力場效應(yīng)晶體管(MOSFET)等。第二代電力電子器件的優(yōu)點是門極可關(guān)斷,屬全控型器件，缺點是高容量和高頻率的矛盾沒有解決。比如MOSFET是單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)頻率高，但缺點是屬于單極型器件，無電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，導(dǎo)通電阻大，只適合小容量的場合，而且這個矛盾無法解決。而GTO和GTR是雙極型全控型器件，優(yōu)點是具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，導(dǎo)通電阻小，容量大，可以通大電流，但缺點是因為兩種半導(dǎo)體載流子的擴(kuò)散和復(fù)合，開關(guān)頻率低，電流越大開關(guān)頻率越低，這個矛盾始終無法解決。比如GTO雖開關(guān)頻率高于SCR，但容量卻小于SCR，而且是電流驅(qū)動型，驅(qū)動電路復(fù)雜。此后電力電子器件朝全控型、高頻化方向不斷發(fā)展。出現(xiàn)了集高頻、高壓和大電流于一身的復(fù)合型電力電子器件，即第三代電力電子器件，包括性能優(yōu)異的復(fù)合型器件如IGBT和智能器件(IntelligentPowerModule，IPM)、MCT、HVIC等，其中最具代表性的是絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)(1983年誕生)。第三代電力電子器件的特點是把單極型器件的高開關(guān)頻率、電壓驅(qū)動等優(yōu)點和雙極型器件的大容量的優(yōu)點結(jié)合在一起，互相取長補(bǔ)短，在開關(guān)頻率和容量方面折中。比如IGBT是單極型MOSFET和雙極型CTR的復(fù)合，通過MOS-FET驅(qū)動CTR，兼有MOSFET的高開關(guān)頻率和GTR的容量大兩方面的優(yōu)點，而且ICBT容量大于GTR。而(MOSControlledThyristor，MCT)是MOSFET驅(qū)動晶閘管的復(fù)合器件，集場效應(yīng)晶體管與晶閘管的優(yōu)點于一身，被認(rèn)為是性能最好，最有發(fā)展前途的一種新器件，但目前還未廣泛應(yīng)用。未來電力電子器件將在理論、結(jié)構(gòu)和工藝等方面不斷創(chuàng)新，電壓、電流和開關(guān)頻率三大參數(shù)將不斷提高。6.電力電子器件和電力電子技術(shù)在電力機(jī)車，動車組等軌道車輛的應(yīng)用電力電子器件典型應(yīng)用是在電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(動車組、電力機(jī)車、電傳動的內(nèi)燃機(jī)車、地鐵機(jī)車車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。隨著電力電子器件和電力電子技術(shù)的發(fā)展，軌道車輛電傳動也隨著發(fā)展，從最早出現(xiàn)的蒸汽機(jī)車，逐漸發(fā)展為內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車和現(xiàn)在的動車組。從早期的直-直傳動(直流發(fā)電機(jī)或直流供電→直流電動機(jī))發(fā)展到交-直傳動(交流發(fā)電機(jī)或交流供電→硅整流→直流電動機(jī))，早期的交-直傳動采用功率二極管整流，晶閘管問世后，便被成功地應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)車或電力機(jī)車的交-直系統(tǒng)的相控調(diào)壓與地鐵車輛的直流系統(tǒng)的斬波調(diào)壓。交-直機(jī)車的缺點是直流或脈流牽引電機(jī)的功率限制、功率因數(shù)低、諧波大、制造、維護(hù)困難。隨著全控型器件的進(jìn)步和發(fā)展，特別是CTO的發(fā)展，又出現(xiàn)了先進(jìn)的交-直-交傳動系統(tǒng)(交流供電→硅整流→逆變器→交流電動機(jī))，并逐步取代交-直系統(tǒng)。與交-直系統(tǒng)相比，交一直-交傳動系統(tǒng)的交流電機(jī)功率大、轉(zhuǎn)矩高、維修工作量小，功率因數(shù)高、啟動過載能力強(qiáng)，簧下重量輕，黏著性能好。利用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，可實現(xiàn)變壓變頻(VVVF)和能量的雙向流動，目前GTO、IGBT/IPM等高頻大功率器件廣泛地應(yīng)用在交流傳動電力機(jī)車和動車組中。日本新干線動車組就是最好的實例，從1964年的0系列到2004年的800系列，期間經(jīng)歷了二極管、SCR、GTO、IGBT/IPM等器件應(yīng)用技術(shù)的不斷更新和進(jìn)步，動車組性能也不斷提高。德國ICE系列主要采用GTO元件，后在ICE3車上的變流器采用IGBT。大功率器件的高頻化使整流器從功率因數(shù)低、諧波大的相控式整流轉(zhuǎn)變?yōu)楣β室驍?shù)高(接近±1)、諧波小的斬控式整流(四象限脈沖整流器)。電機(jī)逆變器體積越來越小，效率越來越高，控制方式也從模擬式、數(shù)字式發(fā)展到計算機(jī)控制(嵌人式計算機(jī)、DSP、CPLD等)。大功率器件的高頻化也促進(jìn)了電機(jī)逆變器控制系統(tǒng)的發(fā)展，從標(biāo)量控制發(fā)展到矢量控制(VC)和直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)，控制精度不斷提高。使軌道車輛朝更加高效節(jié)能、變流裝置小型輕量化、機(jī)電一體化和智能化方向發(fā)展。在軌道交通領(lǐng)域，新型大功率半導(dǎo)體器件IGBT/IPM具有開關(guān)頻率高、損耗小、無二次擊穿、