第二章電力電子器件電力電子技術原理與應用2/2/20231第一頁，共45頁。第二章電力電子器件電子開關的實現：可能性2/2/20232第二頁，共45頁。電子開關的實現：問題兩個SPST開關并不完全等價于一個SPDT開關電力電子器件并不能完全等價于SPST開關電力電子器件的某些特性可能會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，共45頁。兩個SPST開關并不完全等價于一個SPDT開關電力電子器件并不能完全等價于SPST開關電力電子器件的某些特性可能會顯著地影響電路的工作電子開關的實現：問題兩開關可能會同時通或同時斷第二章電力電子器件2/2/20234第四頁，共45頁。兩個SPST開關并不完全等價于一個SPDT開關電力電子器件并不能完全等價于SPST開關電力電子器件的某些特性可能會顯著地影響電路的工作電子開關的實現：問題單向導通單向阻斷不可控器件半可控器件第二章電力電子器件2/2/20235第五頁，共45頁。兩個SPST開關并不完全等價于一個SPDT開關電力電子器件并不能完全等價于SPST開關電力電子器件的某些特性可能會顯著地影響電路的工作電子開關的實現：問題二極管的單向導電特性使得DC/DC換流器出現連續電流工作形式第二章電力電子器件2/2/20236第六頁，共45頁。理想的開關器件關斷時可承受正、反向電壓〔越高越好〕開通時可流過正、反向電流〔越大越好〕開通態、關斷態均無損耗狀態轉換過程無損耗狀態轉換過程快速完成〔越快越好〕開關壽命長〔允許的開關次數越多越好〕第二章電力電子器件2/2/20237第七頁，共45頁。功率半導體器件的狀態導通態〔on〕關斷態〔off〕切換態〔換流與換相〕第二章電力電子器件2/2/20238第八頁，共45頁。功率半導體器件〔實際電力電子開關〕可承受單向或雙向斷態電壓可流過單向或雙向通態電流導通態和關斷態的損耗可承受切換過程的損耗可承受切換速度可承受正確應用時壽命很長第二章電力電子器件2/2/20239第九頁，共45頁。功率半導體器件〔實際電力電子開關〕F:ForwardR:ReverseB:BidirectionC:ConductingB:Blocking第二章電力電子器件2/2/202310第十頁，共45頁。功率半導體器件分類不控型－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，共45頁。換流技術及電子開關器件年譜第二章電力電子器件2/2/202312第十二頁，共45頁。功率二極管P-N結型半導體器件單向導電器件非線性器件電力系統諧波問題計算機仿真的困難第二章電力電子器件2/2/202313第十三頁，共45頁。功率二極管vDiDKA-+vDiDVB0VF(I)反向阻斷區IvDiD0符號實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，共45頁。晶閘管四層三端半導體器件半可控電器件〔控通不控斷〕非線性器件電力系統諧波問題計算機仿真的困難第二章電力電子器件2/2/202315第十五頁，共45頁。vAKiGKA-+iA反向阻斷區反向擊穿電壓反向擊穿正向轉折電壓導通態關斷態脈沖電流作用下導通過程vAKiA0導通態導通過程正向阻斷反向阻斷vAKiA0G晶閘管符號實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，共45頁。晶閘管第二章電力電子器件2/2/202317第十七頁，共45頁。螺栓型晶閘管外觀第二章電力電子器件2/2/202318第十八頁，共45頁。螺栓型晶閘管外觀第二章電力電子器件2/2/202319第十九頁，共45頁。平板型晶閘管外觀第二章電力電子器件2/2/202320第二十頁，共45頁。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，共45頁。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，共45頁。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，共45頁。常用全控型電力電子器件功率晶體管〔巨型晶體管，BJT，GTR〕金屬氧化物半導體場效應晶體管〔MOSFET〕絕緣柵型雙極型晶體管〔IGBT〕門極可關斷晶閘管〔GTO〕……第二章電力電子器件2/2/202324第二十四頁，共45頁。功率晶體管電流控制器件用于中小功率場合〔數十千瓦～數百千瓦〕開關頻率較低〔數千赫茲以下〕二次擊穿問題第二章電力電子器件2/2/202325第二十五頁，共45頁。MOSFET電壓控制器件用于小功率場合〔數十千瓦以下〕開關頻率較高〔可至數兆赫茲〕無二次擊穿問題第二章電力電子器件2/2/202326第二十六頁，共45頁。IGBT電壓控制器件用于中小功率場合〔數十千瓦～數百千瓦〕開關頻率中〔數十千赫茲以下〕掣住效應問題〔寄生晶閘管〕該功率等級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，共45頁。絕緣柵型雙極型晶體管〔IGBT〕vDS-+iDvGS-+GDSvDSiD0vGS0OnOffvDSiD符號實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，共45頁。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，共45頁。IGBT功率模塊外觀第二章電力電子器件2/2/202330第三十頁，共45頁。IGBT功率模塊外觀〔側面〕第二章電力電子器件2/2/202331第三十一頁，共45頁。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，共45頁。GTO電流控制器件〔關斷控制電流很大〕用于〔極〕大功率場合〔可至數十兆瓦〕開關頻率低〔千赫茲以下〕極大功率應用的〔幾乎〕唯一選擇第二章電力電子器件2/2/202333第三十三頁，共45頁。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，共45頁。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，共45頁。全可控四象限開關第二章電力電子器件2/2/202336第三十六頁，共45頁。替代二極管的可控開關第二章電力電子器件2/2/202337第三十七頁，共45頁。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動、保護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，共45頁。電力電子器件的應用場合第二章電力電子器件2/2/202339第三十九頁，共45頁。將來開展趨勢高電壓大電流低功耗高開關速度第二章電力電子器件2/2/202340第四十頁，共45頁。將來開展的技術走向基于硅材料的器件已接近極致新的半導體材料：砷化鎵，碳化硅，……低導通壓降，高擊穿強度，耐高結溫，……還遠未成熟，有很長的路要走……第二章電力電子器件2/2/202341第四十一頁，共45頁。寬禁帶電力電子器件SiC、GaN、AlN、AlGaN等性能令傳統半導體材料Ge、Si、GaAs望塵莫及卓越的高溫性能良好的導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