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(yè)，共45頁(yè)。第二章電力電子器件電子開關(guān)的實(shí)現(xiàn)：可能性2/2/20232第二頁(yè)，共45頁(yè)。電子開關(guān)的實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)栴}兩個(gè)SPST開關(guān)并不完全等價(jià)于一個(gè)SPDT開關(guān)電力電子器件并不能完全等價(jià)于SPST開關(guān)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第二章電力電子器件.2/2/20233第三頁(yè)，共45頁(yè)。兩個(gè)SPST開關(guān)并不完全等價(jià)于一個(gè)SPDT開關(guān)電力電子器件并不能完全等價(jià)于SPST開關(guān)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電子開關(guān)的實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)栴}兩開關(guān)可能會(huì)同時(shí)通或同時(shí)斷第二章電力電子器件2/2/20234第四頁(yè)，共45頁(yè)。兩個(gè)SPST開關(guān)并不完全等價(jià)于一個(gè)SPDT開關(guān)電力電子器件并不能完全等價(jià)于SPST開關(guān)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電子開關(guān)的實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)栴}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(yè)，共45頁(yè)。兩個(gè)SPST開關(guān)并不完全等價(jià)于一個(gè)SPDT開關(guān)電力電子器件并不能完全等價(jià)于SPST開關(guān)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電子開關(guān)的實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)栴}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(yè)，共45頁(yè)。理想的開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)可承受正、反向電壓〔越高越好〕開通時(shí)可流過(guò)正、反向電流〔越大越好〕開通態(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)程快速完成〔越快越好〕開關(guān)壽命長(zhǎng)〔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(yè)，共45頁(yè)。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(yè)，共45頁(yè)。功率半導(dǎo)體器件〔實(shí)際電力電子開關(guān)〕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)電流導(dǎo)通態(tài)和關(guān)斷態(tài)的損耗可承受切換過(guò)程的損耗可承受切換速度可承受正確應(yīng)用時(shí)壽命很長(zhǎng)第二章電力電子器件2/2/20239第九頁(yè)，共45頁(yè)。功率半導(dǎo)體器件〔實(shí)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(yè)，共45頁(yè)。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(yè)，共45頁(yè)。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(yè)，共45頁(yè)。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(wèn)題計(jì)算機(jī)仿真的困難第二章電力電子器件2/2/202313第十三頁(yè)，共45頁(yè)。功率二極管vDiDKA-+vDiDVB0VF(I)反向阻斷區(qū)IvDiD0符號(hào)實(shí)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(yè)，共45頁(yè)。晶閘管四層三端半導(dǎo)體器件半可控電器件〔控通不控?cái)唷撤蔷€性器件電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題計(jì)算機(jī)仿真的困難第二章電力電子器件2/2/202315第十五頁(yè)，共45頁(yè)。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(guò)程vAKiA0導(dǎo)通態(tài)導(dǎo)通過(guò)程正向阻斷反向阻斷vAKiA0G晶閘管符號(hào)實(shí)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(yè)，共45頁(yè)。晶閘管第二章電力電子器件2/2/202317第十七頁(yè)，共45頁(yè)。螺栓型晶閘管外觀第二章電力電子器件2/2/202318第十八頁(yè)，共45頁(yè)。螺栓型晶閘管外觀第二章電力電子器件2/2/202319第十九頁(yè)，共45頁(yè)。平板型晶閘管外觀第二章電力電子器件2/2/202320第二十頁(yè)，共45頁(yè)。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(yè)，共45頁(yè)。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(yè)，共45頁(yè)。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(yè)，共45頁(yè)。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(chǎng)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(yè)，共45頁(yè)。功率晶體管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〕開關(guān)頻率較低〔數(shù)千赫茲以下〕二次擊穿問(wèn)題第二章電力電子器件2/2/202325第二十五頁(yè)，共45頁(yè)。MOSFET電壓控制器件用于小功率場(chǎng)合〔數(shù)十千瓦以下〕開關(guān)頻率較高〔可至數(shù)兆赫茲〕無(wú)二次擊穿問(wèn)題第二章電力電子器件2/2/202326第二十六頁(yè)，共45頁(yè)。IGBT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〕開關(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〕該功率等級(jí)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(yè)，共45頁(yè)。絕緣柵型雙極型晶體管〔IGBT〕vDS-+iDvGS-+GDSvDSiD0vGS0OnOffvDSiD符號(hào)實(shí)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(yè)，共45頁(yè)。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(yè)，共45頁(yè)。IGBT功率模塊外觀第二章電力電子器件2/2/202330第三十頁(yè)，共45頁(yè)。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(yè)，共45頁(yè)。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(yè)，共45頁(yè)。GTO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〕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(yè)，共45頁(yè)。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(yè)，共45頁(yè)。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(yè)，共45頁(yè)。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(yè)，共45頁(yè)。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(yè)，共45頁(yè)。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(dòng)、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(yè)，共45頁(yè)。電力電子器件的應(yīng)用場(chǎng)合第二章電力電子器件2/2/202339第三十九頁(yè)，共45頁(yè)。將來(lái)開展趨勢(shì)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(yè)，共45頁(yè)。將來(lái)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(zhǎng)的路要走……第二章電力電子器件2/2/202341第四十一頁(yè)，共45頁(yè)。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