電力電子器件與變換器

電力電子器件與變換器第1頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第3章電力電子器件與變換器3.3.3基于器件特性的變換器基本拓?fù)鋯卧?/p>

3.3.4兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.4多電平電力電子變換器

3.4.1多電平變換器基礎(chǔ)

3.4.2二極管鉗位式多電平變換器

3.4.3電容懸浮式多電平變換器3.4.4級(jí)聯(lián)式多電平變換器

3.4.5多電平統(tǒng)一變換拓?fù)浼八矐B(tài)換流回路第2頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖3-1一個(gè)典型的電力電子變換器裝置結(jié)構(gòu)示意圖第3頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1電力半導(dǎo)體器件的分類根據(jù)器件所用半導(dǎo)體材料、制造工藝、工作機(jī)理及器件開通和關(guān)斷的控制方式的不同，電力半導(dǎo)體器件有許多種類和不同的分類方式。第4頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1.1按照電力半導(dǎo)體器件發(fā)展來(lái)分類1.第一代器件

2.第二代器件

3.第三代器件第5頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.第一代器件主要以功率二極管(PowerDiode)和晶閘管(Thyristor，也稱之為SiliconControlledRectifier，SCR)為代表，是電力電子技術(shù)發(fā)展早期的主要器件，是傳統(tǒng)電力電子技術(shù)的標(biāo)志。第6頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.第二代器件主要以可關(guān)斷晶閘管(GateTurn-offThyristor，GTO)、大功率晶體管(GiantTransistor，GTR)和功率場(chǎng)控晶體管(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor，MOSFET)為代表。隨著電力電子的發(fā)展，對(duì)器件的可控性提出了更高的要求，這些器件相對(duì)于第一代器件最明顯的區(qū)別是能夠進(jìn)行可控關(guān)斷，這也是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的標(biāo)志。第7頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.第三代器件主要以高性能的絕緣柵雙極性晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)、集成門極換流晶閘管(IntegratedGateCommutatedThyristor，IGCT)和智能功率模塊(IntelligentPowerModule，IPM)等器件為代表。其中，IGBT成為第三代電力電子器件的典型代表。第8頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2按照電力半導(dǎo)體器件控制方式來(lái)分類1.不控型

2.半控型

3.全控型第9頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.不控型這類器件為兩端器件，一般其中一端為陽(yáng)極，另一端為陰極。其開關(guān)操作僅取決于施加于器件陽(yáng)、陰極間的電壓，正導(dǎo)通，負(fù)關(guān)斷，流過(guò)其中的電流是單方向的。由于其開通和關(guān)斷不能通過(guò)器件本身進(jìn)行控制，故這類器件稱為不控型器件，這類器件主要為各種不同類型的功率二極管，比如大功率二極管、快速恢復(fù)二極管和肖特基二極管等。第10頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.半控型這類器件是三端器件，除陽(yáng)極和陰極外，還增加了一個(gè)控制門極。半控型器件也具有單向?qū)щ娦?，其開通不僅需在其陽(yáng)、陰極間施加正向電壓，而且必須在門極和陰極間輸入正向可控功率，稱之為“開通可控”。然而這類器件一旦開通，就不能再通過(guò)門極控制關(guān)斷，只能從外部改變加在陽(yáng)、陰極間的電壓極性或強(qiáng)制陽(yáng)極電流變成零，所以把它們稱為半控型器件。這類器件主要指晶閘管及其派生器件，如雙向型晶閘管、逆導(dǎo)型晶閘管等。第11頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.全控型這一類器件也是帶有控制端的三端器件，其控制端不僅可控制其開通，而且也能控制其關(guān)斷，故稱全控型器件。由于不需要外部提供關(guān)斷條件，僅靠自身控制即可關(guān)斷，所以這類器件常被稱為自關(guān)斷器件。這類器件種類多，工作機(jī)理也不盡相同，包括GTR、GTO、功率MOSFET、IGBT等。第12頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1.3按照電力半導(dǎo)體器件驅(qū)動(dòng)方式分類1.電流控制型器件

2.電壓控制型器件第13頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.電流控制型器件電流控制型器件必須有足夠的驅(qū)動(dòng)電流才能使器件通斷，因而一般情況下需要較大的驅(qū)動(dòng)功率，這類器件有SCR、GTR、GTO等。第14頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.電壓控制型器件電壓控制型器件的通斷只需要有足夠的電壓和很小的驅(qū)動(dòng)電流就可以，因而電壓控制型器件只需很小的驅(qū)動(dòng)功率。這類器件有IGBT、MOSFET等。第15頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1.4按照電力半導(dǎo)體器件中載流子性質(zhì)分類1.雙極型器件

2.單極型器件

3.混合型器件第16頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.雙極型器件雙極型器件是指在器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子都參與導(dǎo)電過(guò)程的半導(dǎo)體器件，這類器件的通態(tài)壓降低、阻斷電壓高、電流容量大，適用于中大容量的變流裝置。常見的有GTR、GTO、GCT(IGCT中的門極換流晶閘管，不包括門極電路)、SITH等。第17頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.單極型器件單極型器件是指器件內(nèi)只有一種載流子(即多數(shù)載流子)參與導(dǎo)電過(guò)程的電力半導(dǎo)體器件，典型器件有功率場(chǎng)控晶體管(MOSFET)和靜電感應(yīng)晶體管(SIT，StaticInductionTransistor)兩種。功率MOSFET為電壓控制器件，具有驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度高，無(wú)二次擊穿問(wèn)題，安全工作區(qū)寬等顯著特點(diǎn)。這種器件還具有電流負(fù)溫度系數(shù)、良好的電流自動(dòng)調(diào)節(jié)能力、良好的熱穩(wěn)定性和較高的抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是通態(tài)電阻大、導(dǎo)通壓降較高。另外，由于導(dǎo)電機(jī)理和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其電流容量和耐壓提高難度較大。它常用于中小功率、開關(guān)頻率較高的變流裝置中。第18頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.混合型器件圖3-2部分電力半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)示意圖第19頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2電力半導(dǎo)體器件的工作原理及特性1)不同雜質(zhì)半導(dǎo)體材料的PN結(jié)特性。

2)器件內(nèi)部各PN結(jié)相互之間的作用關(guān)系。

3)器件內(nèi)部PN結(jié)與外界條件之間的作用關(guān)系。第20頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2電力半導(dǎo)體器件的工作原理及特性圖3-3部分電力電子開關(guān)器件符號(hào)示意圖第21頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2.1單PN結(jié)器件(二極管)的工作原理與特性1.能級(jí)與能帶

2.電子與空穴

3.電離與復(fù)合

4.少子與多子

5.擴(kuò)散與漂移

6.空間電荷區(qū)

7.正偏與反偏

8.少子注入與少子抽出

9.電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)

10.通態(tài)壓降與阻態(tài)漏電流

11.PN結(jié)的電擊穿

12.PN結(jié)的熱擊穿第22頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2.1單PN結(jié)器件(二極管)的工作原理與特性13.PN結(jié)的電容效應(yīng)

14.PN結(jié)的電路外特性第23頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.能級(jí)與能帶圖3-4半導(dǎo)體原子內(nèi)部的電子所處的能級(jí)與能帶示意圖第24頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.電子與空穴圖3-5半導(dǎo)體晶體內(nèi)的自由電子與空穴形成示意圖第25頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.電離與復(fù)合在本征半導(dǎo)體中，由于晶體本身原子的熱運(yùn)動(dòng)而不斷使價(jià)帶中的價(jià)電子激發(fā)到導(dǎo)帶，這一過(guò)程稱之為電子與空穴的“電離”；另一方面，處于導(dǎo)帶的自由電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中又有可能與空穴相遇，這時(shí)，如果它以一定的方式放出原來(lái)吸收的能量，就可以返回價(jià)帶，這稱之為電子與空穴的“復(fù)合”。在平衡情況下，半導(dǎo)體內(nèi)部具有確定數(shù)目的電子和空穴，這就意味著在單位時(shí)間內(nèi)，電離的載流子數(shù)目與復(fù)合的數(shù)目相等，即電離率與復(fù)合率相等，使載流子保持一定的濃度，處于一種動(dòng)態(tài)平衡之中。第26頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.少子與多子圖3-6P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體第27頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.擴(kuò)散與漂移圖3-7PN結(jié)示意圖第28頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.空間電荷區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)互相聯(lián)系又互相矛盾。在一定溫度下，當(dāng)兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，總量不再變化，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，稱為空間電荷區(qū)。在整個(gè)空間電荷區(qū)范圍內(nèi)，正、負(fù)電荷數(shù)量相等，仍保持電中性，這就是PN結(jié)。第29頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.正偏與反偏圖3-8PN結(jié)的正偏置和反偏置第30頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8.少子注入與少子抽出當(dāng)PN結(jié)處于正偏置時(shí)，在外加電場(chǎng)作用下，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于漂移運(yùn)動(dòng)，形成擴(kuò)散電流。由于中和的結(jié)果使空間電荷量減少，即使PN結(jié)變窄，這種現(xiàn)象稱為“少子注入”。在外電路上形成一個(gè)流入P區(qū)的電流，稱為正向電流IF。當(dāng)外加電壓ＵD升高時(shí)，PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)被進(jìn)一步削弱，擴(kuò)散電流隨之增加。正向的PN結(jié)表現(xiàn)為一個(gè)很小的電阻，可以流過(guò)較大的正向電流，稱為正向?qū)?。?1頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)少子注入效應(yīng)是在正偏置時(shí)，外電場(chǎng)削弱了內(nèi)電場(chǎng)，破壞了PN結(jié)原有的平衡。從電路的角度，表現(xiàn)為改變了PN結(jié)的電阻，即電流增大，電阻減小，該現(xiàn)象稱之為“電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)”。少子注入效應(yīng)也稱為非平衡載流子注入效應(yīng)。雙極性器件的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)是其主要特點(diǎn)之一。第32頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.通態(tài)壓降與阻態(tài)漏電流在PN結(jié)正向?qū)〞r(shí)，可以流過(guò)較大的正向電流，表現(xiàn)為短路的狀態(tài)，但是PN結(jié)兩端仍存在一定的壓降，該壓降與PN結(jié)的體電阻和勢(shì)壘都有關(guān)系，稱之為通態(tài)壓降，一般用u0表示，約為0.5~3V。在PN結(jié)反向截止時(shí)，表現(xiàn)為少子抽出，但由于少數(shù)載流子的濃度很小，在一定溫度下，漂移電流的數(shù)值趨于恒定，表現(xiàn)在外電路上是一個(gè)流入N區(qū)的反向電流，該電流稱為反向飽和電流，也稱阻態(tài)漏電流，用IS表示，一般為微安級(jí)。第33頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月11.PN結(jié)的電擊穿圖3-9PN結(jié)雪崩擊穿示意圖第34頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月12.PN結(jié)的熱擊穿PN結(jié)的反向電流會(huì)隨著結(jié)溫T的上升而增加，這與中性區(qū)少數(shù)載流子的濃度和空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電流都會(huì)隨著溫度的上升而加大有關(guān)。另外，溫度的升高還會(huì)對(duì)PN結(jié)的雪崩擊穿電壓有影響。為了避免這些熱效應(yīng)嚴(yán)重影響結(jié)型器件的穩(wěn)定性，必須對(duì)器件采取有效的散熱措施，因而電力電子裝置中的電力半導(dǎo)體器件大多安裝在散熱器上。第35頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月13.PN結(jié)的電容效應(yīng)圖3-10勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容

隨外加電壓的變化第36頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月14.PN結(jié)的電路外特性圖3-11二極管穩(wěn)態(tài)特性等效電路第37頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月14.PN結(jié)的電路外特性圖3-12二極管的伏安特性曲線第38頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月14.PN結(jié)的電路外特性圖3-13二極管的正、反向恢復(fù)過(guò)程第39頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2多PN結(jié)器件的工作原理1.大功率晶體管的基本工作原理

2.MOSFET的基本工作原理

3.IGBT的基本工作原理

4.IGCT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理第40頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2多PN結(jié)器件的工作原理圖3-14三種電力半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)示意圖第41頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.大功率晶體管的基本工作原理圖3-15一個(gè)PNP型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)示意圖第42頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.MOSFET的基本工作原理圖3-16MOSFET的模擬結(jié)構(gòu)第43頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.IGBT的基本工作原理圖3-17IGBT等效電路第44頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.IGBT的基本工作原理表3-1HVIGBT模塊CM900HB-90H的基本性能參數(shù)第45頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.IGCT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-18三種不同類型的IGCT符號(hào)表示第46頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.IGCT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-19GTO和GCT的剖面示意圖第47頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.IGCT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-20IGCT的等效示意圖第48頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.IGCT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-21IGCT的開通和阻斷示意圖第49頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3多PN結(jié)器件的特性1.轉(zhuǎn)移特性

2.伏安特性

3.擎住效應(yīng)(又稱鎖住效應(yīng))

4.開通與關(guān)斷過(guò)程

5.器件的du/dt耐量和di/dt耐量第50頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.轉(zhuǎn)移特性圖3-22IGBT的轉(zhuǎn)移特性第51頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.伏安特性伏安特性是指以門射極電壓UGE作為參變量，IGBT的集電極電流與集發(fā)極之間電壓關(guān)系的曲線族，如圖3-23所示。其中第一象限為通態(tài)特性和正向阻態(tài)特性，第三象限為反向阻態(tài)特性。在一些實(shí)際應(yīng)用中，IGBT中有反并聯(lián)的二極管，則其反向阻態(tài)特性為二極管的通態(tài)特性。同樣，理想化的IGBT伏安特性如圖3-24所示。第52頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.擎住效應(yīng)(又稱鎖住效應(yīng))圖3-23IGBT的伏安特性曲線第53頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.擎住效應(yīng)(又稱鎖住效應(yīng))圖3-24理想化的IGBT

伏安特性曲線第54頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.開通與關(guān)斷過(guò)程圖3-25IGBT開通與關(guān)斷的電壓電流示意圖第55頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.開通與關(guān)斷過(guò)程表3-2多種多PN結(jié)電力電子開關(guān)器件特性的比較第56頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.器件的du/dt耐量和di/dt耐量在電力半導(dǎo)體器件特性中，不僅要考慮流經(jīng)器件的最大電流和器件承受的最大電壓，電壓和電流的變化率也是非常重要的性能參數(shù)。第57頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3電力電子變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3-26具有相同拓?fù)洌煌骷哪孀冸娐返?8頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1變換器理想開關(guān)的定義1)通態(tài)時(shí)，看成是一個(gè)阻值極低的電阻，可以認(rèn)為阻值為零。

2)阻態(tài)時(shí)，看成是一個(gè)阻值極大的電阻，可以認(rèn)為阻值為無(wú)窮大。

3)開通和關(guān)斷，即通態(tài)和阻態(tài)之間切換時(shí)，切換時(shí)間為零。

4)通態(tài)時(shí)，至少在一個(gè)方向上能流通電流；阻態(tài)時(shí)，至少能在一個(gè)方向承受電壓，最理想的開關(guān)能夠雙向流通電流，雙向承受電壓，即雙向可控開關(guān)。

1)通態(tài)時(shí)，無(wú)論其流經(jīng)的電流為多大，兩端壓降為零。

2)阻態(tài)時(shí)，無(wú)論其兩端承受的電壓為多大，流經(jīng)電流為零。

3)開通時(shí)，即由阻態(tài)向通態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，其阻態(tài)兩端承受的壓降在零時(shí)間內(nèi)降為零。第59頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1變換器理想開關(guān)的定義4)關(guān)斷時(shí)，即由通態(tài)向阻態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，其通態(tài)流經(jīng)電流在零時(shí)間內(nèi)降為零。

5)雙向可控開關(guān)，處于通態(tài)時(shí)，其流通電流方向可正可負(fù)；處于阻態(tài)時(shí)，其兩端的承受電壓可正可負(fù)，即在其電壓電流相平面圖上，其工作區(qū)域?yàn)閮勺鴺?biāo)軸，如圖3-27所示。

6)相對(duì)于實(shí)際器件，理想器件還具有這樣的特性，即其通態(tài)和阻態(tài)時(shí)間寬度可以無(wú)限小(即沒(méi)有最小脈寬限制)。第60頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖3-27雙向可控理想開關(guān)的

開關(guān)軌跡第61頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖3-28組合式與非組合式雙向可控開關(guān)第62頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2變換器的基本拓?fù)鋯卧?)具有電壓源性質(zhì)的元件，包括電壓源、電容等，不能被短路。

2)具有電流源性質(zhì)的元件，包括電流源，電感等，不能被開路。第63頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2變換器的基本拓?fù)鋯卧獔D3-29n相輸入p相輸出開關(guān)

矩陣變換器第64頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2變換器的基本拓?fù)鋯卧獔D3-30Buck和Boost變換器的原理示意圖第65頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖3-31n相輸入p相輸出開關(guān)

矩陣變換器(n=p=1)第66頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖3-32電力電子變換器基本拓?fù)鋯卧膬煞N形式第67頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖3-33變換器的基本拓?fù)鋯卧?8頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖3-34變換器的基本拓?fù)鋯卧约伴_關(guān)軌跡第69頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖3-35六種基本的DC/DC變換器示意圖第70頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表3-3六種DC/DC變換器的輸出與輸入電壓的關(guān)系第71頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3基于器件特性的變換器基本拓?fù)鋯卧?)通態(tài)時(shí)，其流通的電流工作在限制的范圍內(nèi)，兩端壓降與流經(jīng)電流相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)其值很小，稱之為通態(tài)壓降。

2)阻態(tài)時(shí)，其兩端承受的電壓工作在限制的范圍內(nèi)，其漏電流與兩端承受電壓相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)其值很小，稱之為阻態(tài)漏電流。

3)開通時(shí)，即由阻態(tài)向通態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，其阻態(tài)兩端承受的壓降在一定的時(shí)間內(nèi)按照一定的規(guī)律變化降為通態(tài)壓降。

4)關(guān)斷時(shí)，即由通態(tài)向阻態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，其通態(tài)流通電流在一定的時(shí)間內(nèi)按照一定的規(guī)律變化降為阻態(tài)漏電流。

5)無(wú)論通態(tài)或者阻態(tài)，其維持時(shí)間寬度不能為無(wú)限小，即開關(guān)器件開通后不能馬上關(guān)斷或者關(guān)斷后馬上開通，這主要是受開關(guān)器件恢復(fù)特性的影響。第72頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3基于器件特性的變換器基本拓?fù)鋯卧?)開關(guān)器件兩端承受電壓以及流通電流的變化率必須受一定的限制，即開關(guān)器件存在du/dt耐量和di/dt耐量。

1)開關(guān)單元輸入或者輸出的電壓或者電流，以及它們的變化率，必須在額定的范圍內(nèi)。

2)兩個(gè)開關(guān)為互鎖關(guān)系，不能造成電壓源短路或者電流源開路的情況。

3)因?yàn)殚_關(guān)的開通和關(guān)斷需要一定的時(shí)間，則兩開關(guān)動(dòng)作之間存在一定的“死區(qū)”。

4)因?yàn)殚_關(guān)器件存在最小通態(tài)和斷態(tài)時(shí)間，則基本拓?fù)鋯卧刂拼嬖谧钚∶}寬。

5)兩個(gè)開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性相互影響。第73頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.4兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1)一般只使用于小容量的變換器。

2)輸出電壓波形中諧波較大。

3)一般來(lái)說(shuō)，需要較高的開關(guān)頻率。

4)輸出電壓波形中，du/dt較大。

5)損耗較大，效率較低。第74頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.4兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3-36三相兩電平逆變拖動(dòng)系統(tǒng)的示意圖第75頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.4兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3-37兩電平SPWM調(diào)制波與線電壓幅頻特性及其諧波分析第76頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4多電平電力電子變換器多電平電力電子變換器，簡(jiǎn)稱多電平變換器。這種變換器正是為適應(yīng)于集成系統(tǒng)的發(fā)展，為提高系統(tǒng)性能和適應(yīng)性而提出來(lái)的。一般來(lái)說(shuō)，多電平變換器具有更多的開關(guān)器件和較復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。上一節(jié)的兩電平變換器拓?fù)涮匦苑治鲆策m用于多電平變換器。但是與兩電平變換器拓?fù)洳煌?，多電平變換器拓?fù)渚哂凶约罕旧愍?dú)有的特點(diǎn)。第77頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1多電平變換器基礎(chǔ)1)主電路中的每個(gè)開關(guān)器件承受一部分直流母線電壓，可以采用較低耐壓的器件組合來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出，且無(wú)需動(dòng)態(tài)均壓電路。

2)由于電平數(shù)的增加，改善了輸出電壓波形，減小了輸出電壓波形的畸變(THD減小)。

3)可以較低的開關(guān)頻率獲得與高開關(guān)頻率下兩電平變換器相同的輸出電壓波形，因而開關(guān)損耗較小，效率高。

4)由于電平數(shù)的增加，在相同的直流母線電壓條件下，變換器輸出電壓突變的臺(tái)階大大減小，使du/dt應(yīng)力大大減小，在中、高壓大電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，有效防止電機(jī)繞組絕緣擊穿，同時(shí)改善了變換器裝置的EMI特性。第78頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1多電平變換器基礎(chǔ)圖3-38多電平變換器與電機(jī)集成系統(tǒng)示意圖第79頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1多電平變換器基礎(chǔ)圖3-39未經(jīng)調(diào)制的五電平輸出波形(線電壓為九電平)第80頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1多電平變換器基礎(chǔ)圖3-40采用調(diào)制的五電平輸出波形(線電壓為九電平)第81頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2二極管鉗位式多電平變換器1)電平數(shù)越多，輸出電壓諧波含量越少。

2)階梯波調(diào)制時(shí)，器件在基頻下工作，開關(guān)損耗小，效率高。

3)可控制無(wú)功功率流向。

4)背靠背連接系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單。

1)需要較多鉗位二極管。

2)每橋臂內(nèi)外側(cè)功率器件的導(dǎo)通時(shí)間不同，造成負(fù)荷不一致。

3)存在直流分壓電容電壓不平衡問(wèn)題。第82頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2二極管鉗位式多電平變換器表3-4二極管鉗位式多電平變換器器件個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)(一個(gè)橋臂)(單位：“個(gè)”或“只”)第83頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2二極管鉗位式多電平變換器圖3-41兩種二極管鉗位式五電平變換器示意圖(一個(gè)橋臂)第84頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2二極管鉗位式多電平變換器圖3-42無(wú)時(shí)的漏電流匹配第85頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2二極管鉗位式多電平變換器圖3-43有時(shí)的漏電流匹配第86頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2二極管鉗位式多電平變換器表3-5二極管鉗位式五電平變換器一個(gè)橋臂輸出電壓與開關(guān)狀態(tài)之間的關(guān)系第87頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3電容懸浮式多電平變換器1)電平數(shù)越多，輸出電壓諧波含量越少。

2)階梯波調(diào)制時(shí)，器件在基頻下開通關(guān)斷，損耗小，效率高。

3)可控?zé)o功和有功功率流，因而可用于高壓直流輸電和變頻調(diào)速。

4)大量的開關(guān)狀態(tài)組合冗余，可用于電壓平衡控制。

1)需大量的鉗位電容。

2)用于純無(wú)功負(fù)載時(shí)，存在懸浮電容電壓的不平衡。第88頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3電容懸浮式多電平變換器圖3-44電容懸浮式五電平變換器

示意圖(一個(gè)橋臂)第89頁(yè)，課件共99頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.