第一章電力電子技術的基本概況 Microsoft PowerPoint 演示文稿

1、首首 頁頁 1.1 電力電子技術的含義電力電子技術的含義 1.2 電力電子的主要應用形式電力電子的主要應用形式 1.3 電力電子技術的發(fā)展歷史電力電子技術的發(fā)展歷史 1.4 電力電子技術的發(fā)展方向和前景電力電子技術的發(fā)展方向和前景 電電 能能 利用最為普及利用最為普及 的能量形式的能量形式特殊的能特殊的能 量形式量形式 易于轉換的易于轉換的 能量形式能量形式 服務于人們服務于人們 生活中的各生活中的各 個方面?zhèn)€方面 轉換為交流電、直流電、轉換為交流電、直流電、 電磁輻射、激光束、脈沖、電磁輻射、激光束、脈沖、 電弧、電磁能電弧、電磁能 下 頁返回 下 頁上 頁返 回 電力電子器件承載的電流大，

2、承受的電壓高；電力電子器件承載的電流大，承受的電壓高； 模擬電子技術和數(shù)字電子技術中的電流、電壓等模擬電子技術和數(shù)字電子技術中的電流、電壓等 當作信號處理，不考慮轉換效率和散熱等問題。當作信號處理，不考慮轉換效率和散熱等問題。 電力電子技術應用中涉及到高電壓、大電流，須電力電子技術應用中涉及到高電壓、大電流，須 優(yōu)先考慮電能的轉換效率。優(yōu)先考慮電能的轉換效率。 電力電子技術與模擬電子技術或信息電子技術都電力電子技術與模擬電子技術或信息電子技術都 是基于硅材料應用科學的一個分支，采用的是硅分子是基于硅材料應用科學的一個分支，采用的是硅分子 滲透技術。滲透技術。 較較 比比 下 頁上 頁返 回 電

3、能轉電能轉 換功率換功率 損耗損耗 約約50%左右由電力電子器件吸收左右由電力電子器件吸收 其余部分由電感、電容、保護電路其余部分由電感、電容、保護電路 和電路接口消化。和電路接口消化。 電力電子器件 消耗的功率 使器件的溫升增加，如散熱條件使器件的溫升增加，如散熱條件 不好，將損壞電力電子器件，并不好，將損壞電力電子器件，并 使整個裝置、電網(wǎng)遭到破壞。使整個裝置、電網(wǎng)遭到破壞。 電力電子器件的保護是電力電子技術實際應電力電子器件的保護是電力電子技術實際應 用中的重要部分。用中的重要部分。 下 頁上 頁返 回 大量應用在高壓直流輸電、靈活交流輸電系大量應用在高壓直流輸電、靈活交流輸電系 統(tǒng)、電

4、氣傳動控制、自動化生產(chǎn)線以及電能統(tǒng)、電氣傳動控制、自動化生產(chǎn)線以及電能 質(zhì)量控制等方面質(zhì)量控制等方面 傳送功率等級從傳送功率等級從 幾瓦到數(shù)千兆瓦幾瓦到數(shù)千兆瓦 在電能的發(fā)電、傳輸、配電、在電能的發(fā)電、傳輸、配電、 及終端用戶等環(huán)節(jié)起著重要及終端用戶等環(huán)節(jié)起著重要 的作用的作用 是信息電子技術發(fā)展的繼續(xù)是信息電子技術發(fā)展的繼續(xù) 下 頁上 頁返 回 是電力電子技術發(fā)展一個新的階段是電力電子技術發(fā)展一個新的階段 表示了一體化設計的概表示了一體化設計的概 念，對于降低成本、損念，對于降低成本、損 耗、體積和重量都有著耗、體積和重量都有著 積極的意義積極的意義 減少工程技術人員在應減少工程技術人員在應

5、 用電力電子技術過程中用電力電子技術過程中 的設計和制作費用的設計和制作費用 將器件驅動和器件本身將器件驅動和器件本身“融合融合”在一起，減小裝在一起，減小裝 置本身的體積，極大地增強集成系統(tǒng)的整體可靠置本身的體積，極大地增強集成系統(tǒng)的整體可靠 性性 電力電電力電 子集成子集成 下 頁上 頁返 回 電力電子技術的市場取決于它的成本、可靠性，電力電子技術的市場取決于它的成本、可靠性， 以及它在電力應用中所展示的新技術的有效性。以及它在電力應用中所展示的新技術的有效性。 電力電子成本的核心是功率器件的特性，特別是電力電子成本的核心是功率器件的特性，特別是 它的導通損耗、關斷損耗和開關速度。它的導通

6、損耗、關斷損耗和開關速度。 l電力電電力電 子技術子技術 根據(jù)電力電子器件的特性、采根據(jù)電力電子器件的特性、采 用一種有效的靜態(tài)變換和控制用一種有效的靜態(tài)變換和控制 方法，將一種電能形式轉換為方法，將一種電能形式轉換為 另一種電能形式的技術。另一種電能形式的技術。 下 頁上 頁返 回 達到體積小、重量輕、損耗低、效果達到體積小、重量輕、損耗低、效果 好的目的，并能實現(xiàn)高效、可靠、實好的目的，并能實現(xiàn)高效、可靠、實 用的控制。用的控制。 電氣和電子器件的有效使用電氣和電子器件的有效使用 線性與非線性電路的理論分析線性與非線性電路的理論分析 控制理論的應用控制理論的應用 成熟設計方法的使用成熟設計

7、方法的使用 配合使用先進的分析工具配合使用先進的分析工具 研究其控制系統(tǒng)的性能研究其控制系統(tǒng)的性能 方法方法 目的目的 下 頁上 頁返 回 尤其是當這些器件在功率變換電路中作為關鍵尤其是當這些器件在功率變換電路中作為關鍵 部件接通或者中斷電流時要特別注意。部件接通或者中斷電流時要特別注意。 l高可靠性高可靠性 不使用像發(fā)熱電子管以及電不使用像發(fā)熱電子管以及電 解電容器等等這些時限很短解電容器等等這些時限很短 的器件。的器件。 l高實用性高實用性 避免使用需要周期性維護或避免使用需要周期性維護或 替換的旋轉器件替換的旋轉器件 。 下 頁上 頁返 回 電力電子設備電力電子設備 的主要目的的主要目的

8、 處理處理電氣意義上的功率。電氣意義上的功率。 控制交流或直流電源與一個或者多個控制交流或直流電源與一個或者多個 需要此交流或直流電源負載之間的功需要此交流或直流電源負載之間的功 率傳輸率傳輸 。 傳輸功率的大小由與變流器終端相連的負載大小傳輸功率的大小由與變流器終端相連的負載大小 確定確定 。 功能功能 下 頁上 頁返 回 電能轉換形式的分類電能轉換形式的分類 l AC/DC變換變換 把交流電壓變換成固定或把交流電壓變換成固定或 可調(diào)的直流電壓。可調(diào)的直流電壓。 l整流整流 l AC/DC變換變換 l整流器整流器 把交流電壓變換成固定或可把交流電壓變換成固定或可 調(diào)的直流電壓的裝置。調(diào)的直流

9、電壓的裝置。 整流器一般用于如充電、電鍍、電解和直流電動機整流器一般用于如充電、電鍍、電解和直流電動機 的速度調(diào)節(jié)等場合。的速度調(diào)節(jié)等場合。 下 頁上 頁返 回 l DC/AC變換變換 把直流電變換成頻率可變、把直流電變換成頻率可變、 電壓固定或可調(diào)的交流電。電壓固定或可調(diào)的交流電。 l逆變逆變 l DC/AC變換變換 l有源逆變有源逆變 DC/AC變換時，交流輸變換時，交流輸 出與電網(wǎng)相連。出與電網(wǎng)相連。 l無源逆變無源逆變 DC/AC變換時，交流輸變換時，交流輸 出直接與負載相連出直接與負載相連 。 下 頁上 頁返 回 l變頻器變頻器 把直流電變換成頻率可變、把直流電變換成頻率可變、 電壓

10、固定或可調(diào)的交流電電壓固定或可調(diào)的交流電 的裝置。的裝置。 無源逆變裝置的輸出可以是恒頻恒壓（無源逆變裝置的輸出可以是恒頻恒壓（CVCF）的）的 電源或不間斷供電電源（電源或不間斷供電電源（UPS），也可是變頻輸），也可是變頻輸 出的電源。出的電源。 變頻器廣泛應用于各種變頻電源中，如在中頻感應變頻器廣泛應用于各種變頻電源中，如在中頻感應 加熱和交流電動機的變頻調(diào)速等方面的應用。加熱和交流電動機的變頻調(diào)速等方面的應用。 下 頁上 頁返 回 l AC/AC變換變換 將一種頻率和幅植固定或變將一種頻率和幅植固定或變 化的交流電壓轉換成另一種化的交流電壓轉換成另一種 頻率和幅植可調(diào)或固定的交頻率和幅

11、植可調(diào)或固定的交 流電壓。流電壓。 l變頻器變頻器 l AC/AC變換電變換電 路路 l周波變流器周波變流器 AC/AC變換電路主要用于交流電動機的變頻調(diào)速。變換電路主要用于交流電動機的變頻調(diào)速。 下 頁上 頁返 回 l DC/DC變換變換 將一種幅值固定或變化的直將一種幅值固定或變化的直 流電壓變換成幅值可調(diào)或恒流電壓變換成幅值可調(diào)或恒 定的另一個電壓等級的直流定的另一個電壓等級的直流 電壓。電壓。 l直流斬波直流斬波 l DC/DC變換變換 l斬波器斬波器 將一種幅值固定或變化的直流電將一種幅值固定或變化的直流電 壓變換成幅值可調(diào)或恒定的另一壓變換成幅值可調(diào)或恒定的另一 個電壓等級的直流電

12、壓的裝置。個電壓等級的直流電壓的裝置。 下 頁上 頁返 回 l脈寬調(diào)制變流器脈寬調(diào)制變流器 l斬波器斬波器 斬波器主要用于直流電壓變換、開關電源、電車、斬波器主要用于直流電壓變換、開關電源、電車、 地鐵、礦車等電力機車上所用的直流電動機的牽引，地鐵、礦車等電力機車上所用的直流電動機的牽引， 以及計算機、通信和各類儀器儀表的電源等場合。以及計算機、通信和各類儀器儀表的電源等場合。 下 頁上 頁返 回 電力電子技術迅電力電子技術迅 速發(fā)展，與全球速發(fā)展，與全球 能源、環(huán)境等問能源、環(huán)境等問 題息息相關題息息相關 利用電力電利用電力電 子技術可以子技術可以 有效地節(jié)約有效地節(jié)約 能源能源 下 頁上

13、頁返 回 年份年份 20001990198019701957194719301904 史前期史前期 晶體管誕生晶體管誕生 全控型器件迅全控型器件迅 速發(fā)展期速發(fā)展期 IGBT出現(xiàn)智出現(xiàn)智 能功率模塊能功率模塊 晶閘管時代晶閘管時代水銀（汞?。┧y（汞?。?整流器時代整流器時代 電子管問世電子管問世 晶閘管問世晶閘管問世 下 頁上 頁返 回 電力電子技術的電力電子技術的 開始是以開始是以1957年年 第一個晶閘管的第一個晶閘管的 誕生為標志誕生為標志 在晶閘管出現(xiàn)之前，在晶閘管出現(xiàn)之前， 電力電子技術已經(jīng)電力電子技術已經(jīng) 用于電力變換用于電力變換 硒整流器硒整流器 電子管電子管 水銀整流器水銀整

14、流器 閘流管閘流管 下 頁上 頁返 回 晶體管的發(fā)明引發(fā)晶體管的發(fā)明引發(fā) 了電子技術的革命了電子技術的革命 鍺功率二極管鍺功率二極管 硅二極管硅二極管 晶閘管晶閘管 下 頁上 頁返 回 工業(yè)技術的迅速發(fā)展推動了晶閘管的進步。工業(yè)技術的迅速發(fā)展推動了晶閘管的進步。 電力電子技術的概念和基礎由于晶閘管及晶閘管電力電子技術的概念和基礎由于晶閘管及晶閘管 變流技術的發(fā)展而逐漸建立起來。變流技術的發(fā)展而逐漸建立起來。 在電力系統(tǒng)的無功補償、以及在中頻加熱應用中，在電力系統(tǒng)的無功補償、以及在中頻加熱應用中， 晶閘管是處理大功率不可缺少的器件。晶閘管是處理大功率不可缺少的器件。 晶閘管在高壓直流輸電中的換流

15、器、靜止相控無晶閘管在高壓直流輸電中的換流器、靜止相控無 功補償器、周波變流器、負載換流逆變器等設備中功補償器、周波變流器、負載換流逆變器等設備中 仍大量使用。仍大量使用。 下 頁上 頁返 回 半導體器半導體器 件的發(fā)展件的發(fā)展 變流器的變流器的 拓樸結構拓樸結構 PWM技術技術 仿真分仿真分 析方法析方法 控制和估控制和估 算技術算技術 計算機計算機 數(shù)字信號數(shù)字信號 處理處理 集成芯片集成芯片 硬件和軟硬件和軟 件控制件控制 電力電子電力電子 進步進步 下 頁上 頁返 回 快速晶閘管快速晶閘管 （FST） 逆導晶閘管逆導晶閘管 （RCT） 雙向晶閘管雙向晶閘管 （TRIAC） 光控晶閘管光

16、控晶閘管 （LTT） 晶閘管的派晶閘管的派 生器件生器件 推動各種電力變流器在冶金、電化學、電推動各種電力變流器在冶金、電化學、電 力工業(yè)、交通及礦山等行業(yè)中的應用，促力工業(yè)、交通及礦山等行業(yè)中的應用，促 進了工業(yè)技術的進步。進了工業(yè)技術的進步。 第一代第一代 電力電電力電 子器件子器件 下 頁上 頁返 回 阻礙晶閘管發(fā)展的原因阻礙晶閘管發(fā)展的原因 關斷晶閘管時須采用強迫換流電路。增加的換流關斷晶閘管時須采用強迫換流電路。增加的換流 電路使電路復雜、體積增大、重量增加、效率降電路使電路復雜、體積增大、重量增加、效率降 低，從而導致可靠性下降；低，從而導致可靠性下降； 晶閘管只能在承受正向電壓過

17、程中，通過對門極施晶閘管只能在承受正向電壓過程中，通過對門極施 加一個觸發(fā)脈沖才能使其導通，不能通過脈沖的控加一個觸發(fā)脈沖才能使其導通，不能通過脈沖的控 制使其關斷，屬于半控型器件。制使其關斷，屬于半控型器件。 下 頁上 頁返 回 由于晶閘管不能通過控制實現(xiàn)關斷，因此它的由于晶閘管不能通過控制實現(xiàn)關斷，因此它的 開關頻率難以提高，最高也不會超過開關頻率難以提高，最高也不會超過400Hz， 這樣大大限制了它的應用范圍；這樣大大限制了它的應用范圍； 由于晶閘管相位控制方式對電網(wǎng)及負載產(chǎn)生嚴由于晶閘管相位控制方式對電網(wǎng)及負載產(chǎn)生嚴 重的諧波，這不但會降低電路的功率因數(shù)，而重的諧波，這不但會降低電路的

18、功率因數(shù)，而 且還會對電網(wǎng)造成諧波污染的且還會對電網(wǎng)造成諧波污染的“公害公害”。 下 頁上 頁返 回 門極可關斷晶閘管（門極可關斷晶閘管（GTO） 雙極型電力晶體管（雙極型電力晶體管（GTR） 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 （Power MOSFET） 自關斷的全自關斷的全 控型器件控型器件 通過對門極（基極、柵極）的控制既可使通過對門極（基極、柵極）的控制既可使 其開通，又可使其關斷。這些器件的開關其開通，又可使其關斷。這些器件的開關 速度高于晶閘管，可以用于開關頻率較高速度高于晶閘管，可以用于開關頻率較高 的場合。的場合。 第二代第二代 電力電電力電 子器件子器件 下 頁上 頁返 回

19、aGTO的關斷功率損耗較大，須使用開關吸收電路，的關斷功率損耗較大，須使用開關吸收電路， 以減小以減小dv/dt，在實際應用中受到一定的限制。，在實際應用中受到一定的限制。 aGTO的一般容量為的一般容量為6KV/4KA。 a實際使用中，實際使用中，GTO的觸發(fā)功率很大，關斷時要消的觸發(fā)功率很大，關斷時要消 耗其導通功率的耗其導通功率的20%左右，限制了它的開關頻率。左右，限制了它的開關頻率。 a在在GTO變流器的吸收和驅動電路設計應考慮其特變流器的吸收和驅動電路設計應考慮其特 殊性。殊性。 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管(GTO ) 下 頁上 頁返 回 大功率達林頓雙極結型晶體管大功率達林

20、頓雙極結型晶體管（BJT），由于它的，由于它的 驅動損耗大，以及可靠性差，現(xiàn)已由大功率場效應驅動損耗大，以及可靠性差，現(xiàn)已由大功率場效應 晶體管晶體管MOSFET（低壓范圍內(nèi)）和絕緣柵雙極型晶（低壓范圍內(nèi)）和絕緣柵雙極型晶 體管體管（IGBT）所取代。所取代。 MOSFET是多數(shù)載流子傳導器件，它的導通壓降是多數(shù)載流子傳導器件，它的導通壓降 較高，開關損耗并不是太大，且電壓等級不能做較高，開關損耗并不是太大，且電壓等級不能做 得太高，它一般只應用于低壓、高頻電路中。得太高，它一般只應用于低壓、高頻電路中。 下 頁上 頁返 回 靜電感應式晶體管（靜電感應式晶體管（SIT） 靜電感應式晶閘管靜電感

21、應式晶閘管 （SITH） MOS晶閘管（晶閘管（MCT） 功率半導體功率半導體 器件器件 這些器件具有很高的開關頻率，可以承受這些器件具有很高的開關頻率，可以承受 更高的電壓，并允許更大的導通電流，這更高的電壓，并允許更大的導通電流，這 種類型的大功率開關器件在構成高頻大功種類型的大功率開關器件在構成高頻大功 率變流器中具有特別的優(yōu)勢。率變流器中具有特別的優(yōu)勢。 第三代復第三代復 合型場控合型場控 半導體器半導體器 件件 下 頁上 頁返 回 絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT） IGBT的開關頻率比的開關頻率比BJT高很多，在正向偏置安全高很多，在正向偏置安全 工作區(qū)內(nèi)可以不需要

22、吸收電路，這種模塊的額定容工作區(qū)內(nèi)可以不需要吸收電路，這種模塊的額定容 量在量在20世紀世紀90年代就已達到了年代就已達到了3500V/1200A，它的電，它的電 氣特性還在不斷完善。氣特性還在不斷完善。 IGBT在許多中、大功率的變流設備中得到了廣泛在許多中、大功率的變流設備中得到了廣泛 使用，直到現(xiàn)在，它仍是主要的功率開關器件。使用，直到現(xiàn)在，它仍是主要的功率開關器件。 下 頁上 頁返 回 IGBT的智能模塊的智能模塊（IPM）是將內(nèi)置門極驅動及熱是將內(nèi)置門極驅動及熱 保護等功能集于一體的集成模塊，它可以控制和保保護等功能集于一體的集成模塊，它可以控制和保 護幾百千瓦的負載，用于中小功率的

23、變流設備中。護幾百千瓦的負載，用于中小功率的變流設備中。 具有溝槽柵技術的現(xiàn)代具有溝槽柵技術的現(xiàn)代IGBT模塊比二極管的導通模塊比二極管的導通 壓降稍高一點，但它具有更快的開關速度。壓降稍高一點，但它具有更快的開關速度。 近期發(fā)展起來的新型大功率半導體器件近期發(fā)展起來的新型大功率半導體器件3.3kV、 4.5kV、6.5kV的的IGBT改進了變流電路的設計，在三改進了變流電路的設計，在三 電平拓撲結構中廣泛采用，迅速增加了電平拓撲結構中廣泛采用，迅速增加了PWM型可控型可控 電壓源變流器所占的市場份額。電壓源變流器所占的市場份額。 下 頁上 頁返 回 PWM可控可控VCS（電壓源型變流器）的優(yōu)

24、（電壓源型變流器）的優(yōu) 勢在于，可以降低線路中的諧波含量，提勢在于，可以降低線路中的諧波含量，提 高功率因數(shù)，并有效降低了濾波器的容量高功率因數(shù)，并有效降低了濾波器的容量 和體積，提高了系統(tǒng)的效率，從而降低在和體積，提高了系統(tǒng)的效率，從而降低在 冶煉、船舶、采礦、電解和高壓直流輸電冶煉、船舶、采礦、電解和高壓直流輸電 等行業(yè)中的能耗。等行業(yè)中的能耗。 下 頁上 頁返 回 MCT MCT是另一種是另一種MOS門極驅動裝置，它的觸發(fā)電路門極驅動裝置，它的觸發(fā)電路 比起比起GTO簡單得多，所需的開關能量和簡單得多，所需的開關能量和MOSFET或或 IGBT差不多，關斷時不需要像差不多，關斷時不需要像

25、GTO那樣大的反向門那樣大的反向門 控電流，在相同功率等級的條件下，導通壓降比控電流，在相同功率等級的條件下，導通壓降比 IGBT小，其開關速度也比較高。小，其開關速度也比較高。 但無論是電壓等級還是功率等級都不能與但無論是電壓等級還是功率等級都不能與GTO和和 IGBT媲美。媲美。 MCT模塊在軟開關變流器中應用。模塊在軟開關變流器中應用。 下 頁上 頁返 回 GCT的主要特點的主要特點 陰極關斷電流全部從門極流出，關斷增益為陰極關斷電流全部從門極流出，關斷增益為1，并，并 能在小于能在小于1 1m ms的時間內(nèi)均勻流出。的時間內(nèi)均勻流出。 由于采用很薄的由于采用很薄的n+緩沖層結構，使緩沖

26、層結構，使GCT器件的通器件的通 態(tài)壓降很低，因而通態(tài)損耗較小。態(tài)壓降很低，因而通態(tài)損耗較小。 該器件采用該器件采用ABB公司的特殊低電感外殼設計，有公司的特殊低電感外殼設計，有 效減小了門極驅動電路的等效電感，大大提高效減小了門極驅動電路的等效電感，大大提高 diGQ/dt（約（約3kA/m ms）。該器件的存儲時間短，關斷）。該器件的存儲時間短，關斷 均勻，易于串聯(lián)使用。均勻，易于串聯(lián)使用。 下 頁上 頁返 回 GCT的硅片中同時集成了功率二極管，減少了的硅片中同時集成了功率二極管，減少了 硬件電路的電纜連線，并使設計更為緊湊。硬件電路的電纜連線，并使設計更為緊湊。 允許較高的開關頻率，而

27、且通態(tài)和關斷損耗均允許較高的開關頻率，而且通態(tài)和關斷損耗均 較低。但在較低。但在GCT的使用過程中，其控制功能還的使用過程中，其控制功能還 不夠完善，仍需要較大的驅動功率，開關控制不夠完善，仍需要較大的驅動功率，開關控制 電路的設計較復雜，因而必須另外增加外部觸電路的設計較復雜，因而必須另外增加外部觸 發(fā)控制電路。發(fā)控制電路。 下 頁上 頁返 回 集成門換流晶閘管集成門換流晶閘管IGCT IGCT相當于開關特性很硬的相當于開關特性很硬的GTO，但它比，但它比GTO 具有更多的優(yōu)勢。具有更多的優(yōu)勢。 SIGCT的導通壓降較低，開關速度更高。的導通壓降較低，開關速度更高。 SIGCT帶有旁路二極管

28、的單片集成電路，不需對吸帶有旁路二極管的單片集成電路，不需對吸 收電路進行特別的設計，甚至可以不用吸收電路。收電路進行特別的設計，甚至可以不用吸收電路。 SIGCT容易實現(xiàn)連續(xù)運行，連續(xù)運行的有效性和元容易實現(xiàn)連續(xù)運行，連續(xù)運行的有效性和元 器件的易更換性對工業(yè)實際運行非常有利。器件的易更換性對工業(yè)實際運行非常有利。 下 頁上 頁返 回 IGCT已廣泛用于大型電力機車牽引、大功率高壓已廣泛用于大型電力機車牽引、大功率高壓 變頻器等設備之中。變頻器等設備之中。 在牽引和工業(yè)領域中，以在牽引和工業(yè)領域中，以IGCT或或IGBT作為開關作為開關 器件的器件的PWM型型VSC，正在迅速取代普通，正在迅

29、速取代普通GTO作為開作為開 關器件的關器件的VSC和電流源型變流器和電流源型變流器（CSC）。 IGCT將功率處理模塊將功率處理模塊（GCT）與控制電路集成在與控制電路集成在 一個封裝結構內(nèi)。一個封裝結構內(nèi)。 下 頁上 頁返 回 1 IGCT可工作在中等電壓等級、能關斷可工作在中等電壓等級、能關斷10MW 功率的硅材料開關元件。功率的硅材料開關元件。 IGCT將功率處理單元將功率處理單元 GCT和控制電路集成在一個封裝內(nèi)，這樣更易于和控制電路集成在一個封裝內(nèi)，這樣更易于 控制，可有效降低開關元件的成本?？刂?，可有效降低開關元件的成本。 2 在相同運行功率的條件下，在相同運行功率的條件下，IG

30、CT比比GTO和和 IGBT的開關頻率更高，開關損耗更低。在中等電壓的開關頻率更高，開關損耗更低。在中等電壓 等級下控制相同的兆瓦級功率，并保證相同效率和等級下控制相同的兆瓦級功率，并保證相同效率和 可靠性的前提下，它的封裝尺寸更小，費用更低?？煽啃缘那疤嵯拢姆庋b尺寸更小，費用更低。 下 頁上 頁返 回 3 在高頻工作條件下，若采用在高頻工作條件下，若采用IGCT來實現(xiàn)逆變來實現(xiàn)逆變 器時，可將逆變器的元件數(shù)量減少器時，可將逆變器的元件數(shù)量減少50%，因而可節(jié)，因而可節(jié) 省約省約30%的能量。這種開關元件的典型電壓應用等的能量。這種開關元件的典型電壓應用等 級有：級有：2.3, 4.16和

31、和6.9kV。這可保證它能直接用于工。這可保證它能直接用于工 業(yè)電機，電力機車牽引，輪船推進，流水線等大功業(yè)電機，電力機車牽引，輪船推進，流水線等大功 率應用場合。率應用場合。 下 頁上 頁返 回 4 IGCT是對是對GTO和和IGBT的改進和提高。的改進和提高。GTO 需要復雜的外圍電路，以保證可靠的工作，工作需要復雜的外圍電路，以保證可靠的工作，工作 頻率也低；頻率也低；IGBT在中等電壓等級應用時，損耗在中等電壓等級應用時，損耗 增加。在大功率應用時，需要較多的元件組成模增加。在大功率應用時，需要較多的元件組成模 塊。塊。IGCT則克服了則克服了GTO和和IGBT設計中內(nèi)在的開設計中內(nèi)在

32、的開 關技術缺陷。關技術缺陷。 5 IGCT技術是一個高速的技術飛躍，它的開關技術是一個高速的技術飛躍，它的開關 特性相當于特性相當于IGBT，而導通能力則相當于，而導通能力則相當于GTO，但，但 IGCT減少了成本和外圍器件。減少了成本和外圍器件。 下 頁上 頁返 回 GTO晶閘管晶閘管 高壓高壓IGBT模塊模塊 IGCT的性能的性能 開開 關關 技技 術術 可靠性高可靠性高 結構緊湊結構緊湊 高頻開關特性高頻開關特性 低開關損耗低開關損耗 無需吸收器無需吸收器 集成門驅動集成門驅動 高頻開關特性高頻開關特性 低開關和通態(tài)損耗低開關和通態(tài)損耗 無需吸收器無需吸收器 可用于大多數(shù)的電壓等級可用

33、于大多數(shù)的電壓等級 功功 率率 電電 路路 不發(fā)生災難不發(fā)生災難 性的事故性的事故 低壓時，元件低壓時，元件 數(shù)較少數(shù)較少 低壓時，適合低壓時，適合 并聯(lián)和級聯(lián)并聯(lián)和級聯(lián) 不發(fā)生災難性的事故不發(fā)生災難性的事故 可靠性高可靠性高 集成了二極管和門控單元集成了二極管和門控單元 適合于并聯(lián)和級聯(lián)適合于并聯(lián)和級聯(lián) 器件器件 設計設計 對各種電壓對各種電壓 等級都有效等級都有效 低通態(tài)損耗低通態(tài)損耗 模塊設計模塊設計 允許緊湊和模塊化設計允許緊湊和模塊化設計 減少電纜互連線減少電纜互連線 表表1.1 典型開關元件的特性歸納典型開關元件的特性歸納 下 頁上 頁返 回 6 GTO是將數(shù)千個分離開關元件集成在

34、一個硅片是將數(shù)千個分離開關元件集成在一個硅片 上。由于它們可以在交流電流周期中的任意點上進上。由于它們可以在交流電流周期中的任意點上進 行開關操作，因而在行開關操作，因而在GTO的四種工作情況下都會產(chǎn)的四種工作情況下都會產(chǎn) 生損耗。生損耗。 觸發(fā)導通觸發(fā)導通 導通狀態(tài)導通狀態(tài) 關斷過程關斷過程 關斷狀態(tài)關斷狀態(tài) 下 頁上 頁返 回 在中等電壓等級運行時，在中等電壓等級運行時，GTO的導通功率損耗很低，的導通功率損耗很低， 開關功率損耗還比較合理的。但由于開關功率損耗還比較合理的。但由于GTO的非齊性的非齊性 （順序的，而不是同時的）開關特性，在關斷時，（順序的，而不是同時的）開關特性，在關斷時

35、， 它需要額外增加一個吸收電路，這個吸收電路占用它需要額外增加一個吸收電路，這個吸收電路占用 了器件本身一半以上的體積。因而增加了設計的復了器件本身一半以上的體積。因而增加了設計的復 雜性和設計成本，同時也增加了功率損耗。雜性和設計成本，同時也增加了功率損耗。 下 頁上 頁返 回 將功率處理模塊將功率處理模塊 （GCT）與控制電）與控制電 路集成在一個封裝路集成在一個封裝 結構內(nèi)的結構內(nèi)的 IGCT特特 點點 GCT功率處理器件和控功率處理器件和控 制部分一起，可減少制部分一起，可減少 IGCT的通態(tài)損耗，無的通態(tài)損耗，無 需吸收電路，并提供了需吸收電路，并提供了 可靠的開關單元。可靠的開關單

36、元。 封裝好的封裝好的GCT可自可自 由移動，不會出現(xiàn)由移動，不會出現(xiàn) 功能喪失現(xiàn)象。功能喪失現(xiàn)象。 集成門驅動電路可集成門驅動電路可 減少雜散電感，使減少雜散電感，使 設計簡化。設計簡化。 IGCT易于進行電氣易于進行電氣 設計和機械設計，出設計和機械設計，出 現(xiàn)故障時易于更換。現(xiàn)故障時易于更換。 7 下 頁上 頁返 回 8 S合適的開關速度。合適的開關速度。 S在滿額定電流運行的情況下，在滿額定電流運行的情況下，IGCT的開關速度可的開關速度可 達到達到1kHz，幾乎為，幾乎為GTO元件的四倍。元件的四倍。 S緊湊的逆變器設計和高可靠性。緊湊的逆變器設計和高可靠性。 S在交流電器運行時所需

37、的大部分的二極管都集成在交流電器運行時所需的大部分的二極管都集成 在在GCT結構中。結構中。 下 頁上 頁返 回 b在相同運行功率的條件下，在相同運行功率的條件下，IGCT比比GTO和和IGBT 的開關頻率更高，而且開關損耗更低。的開關頻率更高，而且開關損耗更低。 b在中等電壓等級下控制相同的兆瓦級功率，并保證在中等電壓等級下控制相同的兆瓦級功率，并保證 相同效率和可靠性的前提下，相同效率和可靠性的前提下， IGCT比比GTO和和 IGBT的封裝尺寸更小，費用更低。的封裝尺寸更小，費用更低。 bIGBT在中等電壓等級應用時，損耗增加。在大功在中等電壓等級應用時，損耗增加。在大功 率應用時，需要

38、較多的元件組成模塊。率應用時，需要較多的元件組成模塊。 較較 比比 下 頁上 頁返 回 bIGCT的開關特性相當于的開關特性相當于IGBT，而導通能力則相，而導通能力則相 當于當于GTO，但，但IGCT減少了成本和外圍器件。減少了成本和外圍器件。 bGTO將數(shù)千個分離開關元件集成在一個硅片上，將數(shù)千個分離開關元件集成在一個硅片上， GTO在觸發(fā)導通，導通狀態(tài)，關斷過程，關斷在觸發(fā)導通，導通狀態(tài)，關斷過程，關斷 狀態(tài)都會產(chǎn)生損耗。狀態(tài)都會產(chǎn)生損耗。 b在中等電壓等級運行時，在中等電壓等級運行時，GTO的導通功率損耗的導通功率損耗 很低，開關功率損耗比較合理。很低，開關功率損耗比較合理。 下 頁上

39、 頁返 回 b關斷時，關斷時，GTO需要額外增加一個吸收電路，增需要額外增加一個吸收電路，增 加了設計的復雜性和設計成本和功率損耗。加了設計的復雜性和設計成本和功率損耗。 b在滿額定電流運行的情況下，在滿額定電流運行的情況下，IGCT的開關速度的開關速度 可達到可達到1kHz，為，為GTO元件的四倍。元件的四倍。 b相控晶閘管、快速晶閘管、門極可關斷晶閘管相控晶閘管、快速晶閘管、門極可關斷晶閘管 （GTO）、IGCT等都具有擎住結構，其中載流等都具有擎住結構，其中載流 子從陽極和陰極注入。子從陽極和陰極注入。 b普通晶閘管不能自行關斷。普通晶閘管不能自行關斷。 下 頁上 頁返 回 雙向控制晶閘

40、管（雙向控制晶閘管（BCT） 是由在一個晶片上的兩個是由在一個晶片上的兩個 反并聯(lián)晶閘管組成，兩個反并聯(lián)晶閘管組成，兩個 門極相互獨立門極相互獨立,這樣能最大這樣能最大 限度地保留大功率變流器限度地保留大功率變流器 的鉗位、內(nèi)部構成和設計的鉗位、內(nèi)部構成和設計 技術等特性。技術等特性。 光觸發(fā)晶閘管光觸發(fā)晶閘管 （Light triggered thyristor）的發(fā)展，的發(fā)展， 極大地簡化了門極控極大地簡化了門極控 制，提高了晶閘管應制，提高了晶閘管應 用在大功率、高電壓用在大功率、高電壓 中的可靠性。中的可靠性。 下 頁上 頁返 回 電力電子器件的前景電力電子器件的前景 P近近10多年來

41、，電力電子器件已向模塊化、智能化的多年來，電力電子器件已向模塊化、智能化的 方向發(fā)展，它使得電力電子器件的使用變得更加簡單方向發(fā)展，它使得電力電子器件的使用變得更加簡單 易行，有效地減少了設備的體積、增加了系統(tǒng)運行的易行，有效地減少了設備的體積、增加了系統(tǒng)運行的 可靠性?？煽啃浴?P對終端用戶的應用而言，國際上有許多大公司已開對終端用戶的應用而言，國際上有許多大公司已開 發(fā)出了發(fā)出了IPM智能功率模塊，目前應用最多的仍然是智能功率模塊，目前應用最多的仍然是 IGBT智能模塊。智能模塊。 P碳化硅、砷化鎵等新材料的應用。碳化硅、砷化鎵等新材料的應用。 下 頁上 頁返 回 IPM（Intellig

42、ent Power Module）模塊把功率開關模塊把功率開關 器件和驅動電路集成在一起，內(nèi)藏過電壓，過電流和器件和驅動電路集成在一起，內(nèi)藏過電壓，過電流和 過熱等故障檢測電路，可將檢測信號送到過熱等故障檢測電路，可將檢測信號送到CPU。 它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極驅動電路以及它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極驅動電路以及 快速保護電路構成。即使發(fā)生負載事故或使用不當，快速保護電路構成。即使發(fā)生負載事故或使用不當， 也可以保證也可以保證IPM自身不受損壞。自身不受損壞。 IPM一般使用一般使用IGBT作為功率開關元件，內(nèi)藏電流作為功率開關元件，內(nèi)藏電流 傳感器及驅動電路的集成結構。傳感器及

43、驅動電路的集成結構。 智能功率模塊（智能功率模塊（ IPM ） 下 頁上 頁返 回 IPM以其高可靠性，使用方便贏得越來越大的市場，以其高可靠性，使用方便贏得越來越大的市場， 尤其適合于驅動電機的變頻器和各種逆變電源，是變尤其適合于驅動電機的變頻器和各種逆變電源，是變 頻調(diào)速，冶金機械，電力牽引，伺服驅動，變頻家電頻調(diào)速，冶金機械，電力牽引，伺服驅動，變頻家電 的一種非常理想的電力電子器件。的一種非常理想的電力電子器件。 從配電系統(tǒng)的應用來看，模塊的電壓一般有從配電系統(tǒng)的應用來看，模塊的電壓一般有1200V 和和1700V兩個等級，額定電流為兩個等級，額定電流為50250A。 肖特基二極管肖特

44、基二極管 快快 恢復二極管恢復二極管 雙擴散二極管雙擴散二極管 下 頁上 頁返 回 MOSFET肖特基二極管肖特基二極管 JBS二極管二極管 PIN二極管二極管 MCT P型型 N型型 MTO 相控晶閘管相控晶閘管 高速晶閘管高速晶閘管 反向導通型反向導通型 不對稱型不對稱型 對稱型對稱型 GTO 對稱型對稱型 不對稱型不對稱型 反向導通型反向導通型 IGCT 反向導通型反向導通型 不對稱型不對稱型 普通型普通型 NPN 雙極結晶體管雙極結晶體管BJT PNP MOSFET N-溝道增強型溝道增強型 常規(guī)普通型常規(guī)普通型 S-FET Cool-MOS P-溝道增強型溝道增強型 IGBT NPT

45、 高速高速 低壓降低壓降 PT 晶閘管晶閘管晶體管晶體管二極管二極管 碳化硅碳化硅硅材料硅材料 功率電力電子器件功率電力電子器件 二極管二極管晶體管晶體管 市場占有市場占有 量較小量較小 實驗室實驗室 階段階段 電力電電力電 子器件子器件 的分類的分類 及其派及其派 生系列生系列 下 頁上 頁返 回 在高壓、高溫、高頻以及低導通壓降場合應用在高壓、高溫、高頻以及低導通壓降場合應用 功率范圍大功率范圍大 擊穿場強高擊穿場強高 導熱性高導熱性高 飽和電子漂移速率高飽和電子漂移速率高 對化學反應或高對化學反應或高 氣壓呈高惰性氣壓呈高惰性 輻射電阻高輻射電阻高 下 頁上 頁返 回 碳化硅可以極大地降

46、低通態(tài)和開關損耗，結溫上升碳化硅可以極大地降低通態(tài)和開關損耗，結溫上升 到到600時也能運行。時也能運行。 碳化硅材料的肖特基和結勢壘肖特基碳化硅材料的肖特基和結勢壘肖特基（JBS）二極二極 管的阻斷電壓已達到管的阻斷電壓已達到2kV。 PIN二極管達到二極管達到5kV。 碳化硅二極管可以大大減少二極管的關斷損耗和開碳化硅二極管可以大大減少二極管的關斷損耗和開 通損耗。通損耗。 碳化硅的應用前景碳化硅的應用前景 下 頁上 頁返 回 現(xiàn)代電力電子現(xiàn)代電力電子 技術主要特點技術主要特點 全控化全控化 集成化集成化 高頻化高頻化 高效率化高效率化 小型化小型化 綠色化綠色化 新型化新型化 下 頁上

47、頁返 回 全控化全控化 由半控型普通晶閘管發(fā)展到各類自由半控型普通晶閘管發(fā)展到各類自 關斷器件，是電力電子器件在功能上的重大突破。關斷器件，是電力電子器件在功能上的重大突破。 在自關斷器件實現(xiàn)全控化后，就可以取消傳統(tǒng)電力在自關斷器件實現(xiàn)全控化后，就可以取消傳統(tǒng)電力 電子器件的復雜換流電路，使電路大為簡化。電子器件的復雜換流電路，使電路大為簡化。 集成化集成化 與傳統(tǒng)電力電子器件的分立方式完與傳統(tǒng)電力電子器件的分立方式完 全不同，所有的全控型器件都是由許多單元器件并全不同，所有的全控型器件都是由許多單元器件并 接在一起，并集成在一個基片上。接在一起，并集成在一個基片上。 下 頁上 頁返 回 指隨

48、著器件集成化后的高頻化，它指隨著器件集成化后的高頻化，它 能有效提高整體集成器件的工作速度。能有效提高整體集成器件的工作速度。 高頻化高頻化 高效率化高效率化 體現(xiàn)在器件本身和器件換流技術體現(xiàn)在器件本身和器件換流技術 這兩個方面。由于電力電子器件的導通壓降不斷減這兩個方面。由于電力電子器件的導通壓降不斷減 少，降低了導通損耗；器件開關的上升和下降過程少，降低了導通損耗；器件開關的上升和下降過程 加快，也將低了開關損耗。器件處于合理的運行狀加快，也將低了開關損耗。器件處于合理的運行狀 態(tài)，提高了運行效率；變流器中采用軟開關技術，態(tài)，提高了運行效率；變流器中采用軟開關技術， 使得運行效率得到進一步提高。使得運行效率得到進一步提高。 下 頁上 頁返 回 小型化小型化 指隨著器件的高頻化和集成化后，指隨著器件的高頻化和集成化后， 控制電路的高度集成