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现代电力电子技术原理与应用,*,第二章,电力电子器件,电力电子技术原理与应用,2010,级硕士研究生课程,1,第二章 电力电子器件,电子开关的实现：可能性,2,电子开关的实现：问题,两个,SPST,开关并不完全等价于一个,SPDT,开关,电力电子器件并不能完全等价于,SPST,开关,电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电路的工作,电力电子器件的通、断可能依赖于主电路状态,第二章 电力电子器件,3,电子开关的实现：问题,两个,SPST,开关并不完全等价于一个,SPDT,开关,电力电子器件并不能完全等价于,SPST,开关,电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电路的工作,电力电子器件的通、断可能依赖于主电路状态,两开关可能会同时通或同时断,第二章 电力电子器件,4,电子开关的实现：问题,两个,SPST,开关并不完全等价于一个,SPDT,开关,电力电子器件并不能完全等价于,SPST,开关,电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电路的工作,电力电子器件的通、断可能依赖于主电路状态,单向导通,单向阻断,不可控器件,半可控器件,第二章 电力电子器件,5,电子开关的实现：问题,两个,SPST,开关并不完全等价于一个,SPDT,开关,电力电子器件并不能完全等价于,SPST,开关,电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电路的工作,电力电子器件的通、断可能依赖于主电路状态,二极管的单向导电特性使得,DC/DC,换流器出现间断电流工作模式,第二章 电力电子器件,6,电子开关的实现：问题,两个,SPST,开关并不完全等价于一个,SPDT,开关,电力电子器件并不能完全等价于,SPST,开关,电力电子器件的某些特性可能会显著地影响电路的工作,电力电子器件的通、断可能依赖于主电路状态,二极管、晶闸管的单向导通特性,第二章 电力电子器件,7,理想的开关器件,关断时可承受正、反向电压（越高越好）,开通时可流过正、反向电流（越大越好）,开通态、关断态均无损耗,状态转换过程无损耗,状态转换过程快速完成（越快越好）,开关寿命长（允许的开关次数越多越好）,第二章 电力电子器件,8,功率半导体器件的状态,导通态（,on,）,关断态（,off,）,切换态（换流与换相）,第二章 电力电子器件,9,功率半导体器件（实际电力电子开关）,可承受单向或双向断态电压,可流过单向或双向通态电流,导通态和关断态的损耗可接受,切换过程的损耗可接受,切换速度可接受,正确应用时寿命很长,第二章 电力电子器件,10,功率半导体器件（实际电力电子开关）,F:,F,orward,R:,R,everse,B:,B,idirection,C:,C,onducting,B:,B,locking,第二章 电力电子器件,11,功率半导体器件分类,不控型整流二极管,半控型晶闸管,全控型,GTO,、,BJT,、,IGBT,、,MOSFET,第二章 电力电子器件,12,换流技术及电子开关器件年谱,第二章 电力电子器件,13,功率二极管,P,-,N,结型半导体器件,单向导电器件,非线性器件,电力系统谐波问题,计算机仿真的困难,第二章 电力电子器件,14,功率二极管,v,D,i,D,K,A,-,+,v,D,i,D,V,B,0,V,F,(,I,),反向,阻断区,I,v,D,i,D,0,符号,实际伏安特性,理想伏安特性,第二章 电力电子器件,15,晶闸管,四层三端半导体器件,半可控电器件（控通不控断）,非线性器件,电力系统谐波问题,计算机仿真的困难,第二章 电力电子器件,16,v,AK,i,G,K,A,-,+,i,A,反向,阻断区,反向击,穿电压,反向击穿,正向转折电压,导通态,关断态,脉冲电流作用,下导通过程,v,AK,i,A,0,导通态,导通过程,正向阻断,反向阻断,v,AK,i,A,0,G,晶闸管,符号,实际伏安特性,理想伏安特性,第二章 电力电子器件,17,晶闸管,第二章 电力电子器件,18,螺栓型晶闸管外观,第二章 电力电子器件,19,螺栓型晶闸管外观,第二章 电力电子器件,20,平板型晶闸管外观,第二章 电力电子器件,21,平板型晶闸管外观,第二章 电力电子器件,22,换流器中的晶闸管组件,第二章 电力电子器件,23,高压直流输电换流器,第二章 电力电子器件,24,常用全控型电力电子器件,功率晶体管（巨型晶体管，,BJT,，,GTR,）,金属氧化物半导体场效应晶体管（,MOSFET,）,绝缘栅型双极型晶体管（,IGBT,）,门极可关断晶闸管（,GTO,）,第二章 电力电子器件,25,功率晶体管,电流控制器件,用于中小功率场合（数十千瓦数百千瓦）,开关频率较低（数千赫兹以下）,二次击穿问题,第二章 电力电子器件,26,MOSFET,电压控制器件,用于小功率场合（数十千瓦以下）,开关频率较高（可至数兆赫兹）,无二次击穿问题,第二章 电力电子器件,27,IGBT,电压控制器件,用于中小功率场合（数十千瓦数百千瓦）,开关频率中（数十千赫兹以下）,掣住效应问题（寄生晶闸管）,该功率等级目前最理想的器件,第二章 电力电子器件,28,绝缘栅型双极型晶体管（,IGBT,）,v,DS,-,+,i,D,v,GS,-,+,G,D,S,v,DS,i,D,0,v,GS,0,On,Off,v,DS,i,D,符号,实际伏安特性,理想伏安特性,第二章 电力电子器件,29,小功率,IGBT,器件外观,第二章 电力电子器件,30,IGBT,功率模块外观,第二章 电力电子器件,31,IGBT,功率模块外观（侧面）,第二章 电力电子器件,32,IGBT,功率模块外观（底面）,第二章 电力电子器件,33,GTO,电流控制器件（关断控制电流很大）,用于（极）大功率场合（可至数十兆瓦）,开关频率低（千赫兹以下）,极大功率应用的（几乎）唯一选择,第二章 电力电子器件,34,常用电力电子器件及其特性,第二章 电力电子器件,35,常用电力电子器件组合及其特性,第二章 电力电子器件,36,全可控四象限开关,第二章 电力电子器件,37,替代二极管的可控开关,第二章 电力电子器件,38,电力电子功率模块,电力电子器件的集成,电力电子器件与驱动、保护电路的集成,电力电子器件与控制电路的集成,第二章 电力电子器件,39,电力电子器件的应用场合,第二章 电力电子器件,40,未来发展趋势,高电压,大电流,低功耗,高开关速度,第二章 电力电子器件,41,未来发展的技术走向,基于硅材料的器件已接近极致,新的半导体材料：砷化镓，碳化硅，,低导通压降，高击穿强度，耐高结温，,还远未成熟，有很长的路要走,第二章 电力电子器件,42,电力电子电路的“抽象”电路模型,第二章 电力电子器件,43,单相整流器“抽象”电路模型,第二章 电力电子器件,44,三相整流器“抽象”电路模型,第二章 电力电子器件,45,
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