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现代电力电子技术与应用2现代电力电子技术与应用1.1绪论1.2典型电力电子半导体功率器件介绍1.3半导体功率器件与软开关技术1.4半导体功率器件应用1.51.631.1本课程内容■本课程主要学习内容：对电力电子学科和器件的发展历程、特点和发展方向等问题有基本了解。对电力电子器件的概念、特点和分类等问题有较清晰的认知。对电力电子器件开关过程及软开关技术有初步了解与认知。对电力电子电路中半导体器件和PCB寄生参数对电路特性的影响有基本印象。4电力电子技术是从电气工程中3大学科领域（电力、控制、电子）发展起来的一门新型交叉学科。电力电子技术特点：①弱电控制强电的交叉学科与技术；所涉及的学科广泛，包括：基础理论（固体物理、电磁学、电路理论）、专业理论（电力系统、电子学、传热学、系统与控制、电机学及电力传动、通信理论、信号处理、微电子技术）以及专门技术（电磁测量、计算机仿真、CAD）等。②传送能量的模拟-数字-模拟转换技术；③多学科知识的综合设计技术。1.2电力电子学科及器件简介51.2电力电子学科及器件简介当今世界电力能源的使用约占总能源的40%。而电能中有40%需要经过电力电子设备的变换才能被使用。IEEE给出电力电子技术的定义：Powerelectronicsisthetechnologyassociatedwiththeefficientconversion,controlandconditioningofelectricpowerbystaticmeansfromitsavailableinputformintothedesiredelectricaloutputform.简单地说，电力电子技术就是以电子器件为开关，把能得到的电能变换为所需要的电源的一门科学应用技术，即电能变换技术。服务对象：电能的产生＼传输＼分配＼应用1.2电力电子学科及器件简介服务于电能产生＼传输＼分配＼应用全过程；提高电力系统的可控性，实现电力系统高效、经济、稳定、安全的运行。电力环境的治理•电能质量:APF\DVR\UPQC•稳定性:SVC\SVG（StaticVarCompensator/Generator）•可控制性\输送能力:HVDC\UPFC\TCSC7电力电子技术的主要应用领域：①电源设计中的电力电子技术；②电机传动中的电力电子技术；③电力系统中的电力电子技术；④汽车工业中的电力电子技术；⑤绿色照明中的电力电子技术；⑥新能源开发中的电力电子技术；1.2电力电子学科及器件简介8电力电子技术的发展方向集成化模块化智能化高频化不断提高装置效率不断拓展电压、电流应用范围1.2电力电子学科及器件简介9电力电子器件的定义电力电子器件（PowerElectronicDevice）是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。1.2电力电子学科及器件简介10电力电子器件的特征◆所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。◆为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。◆由信息电子电路来控制,而且需要专门的驱动电路。◆自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。1.2电力电子学科及器件简介11电力电子器件的作用■电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。1.2电力电子学科及器件简介12第2章典型功率器件的介绍2.1电力电子器件分类2.2传统全控电力电子器件2.3宽禁带电力电子器件13■电力电子器件分类：1）按照能够被控制电路信号所控制的程度◆不可控器件☞电力二极管（PowerDiode）☞不能用控制信号来控制其通断。◆半控型器件☞主要是指晶闸管（SCR,Thyristor）及其大部分派生器件。☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。◆全控型器件☞目前最常用的是IGBT和MOSFET。☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。2.1电力电子器件分类14■电力电子器件分类：2）按照驱动信号性质分类◆电流驱动型☞从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断。如SCR，BJT◆电压驱动型☞在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可导通或者关断。3）按照驱动波形来分（电力二极管除外）◆脉冲触发型（半控器件SCR）◆电平控制型（全控器件MOSFET）2.1电力电子器件分类15■电力电子器件分类：4）按照载流子参与导电的情况◆单极型器件☞由一种载流子参与导电。MOSFET◆双极型器件☞由电子和空穴两种载流子参与导电。BJT◆复合型器件☞由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。IGBT2.1电力电子器件分类16晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有的应用。IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了IGBT的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现IGBT的特性。IGCT具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点（相对于高压、大功率器件而言）。2.2传统全控电力电子器件门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）17结构：与普通晶闸管的相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKGTO的内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形b)并联单元结构断面示意图1.GTO的结构和工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶闸管的双晶体管模型及其工作原理2.2传统全控电力电子器件门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）18RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶闸管的双晶体管模型及其工作原理由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2。1+2=1是器件临界导通的条件。特点分析：普通晶闸管1+2≥1.15,导通饱和程度深,无法用门极负脉冲使其关断;GTO导通时1+2≈1.05，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。2.2传统全控电力电子器件1.GTO的结构和工作原理门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）19开通过程：与普通晶闸管相同关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间tf尾部时间tt—残存载流子复合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大，ts越短;tt阶段保持适当负电压,可以缩小尾部时间tt2.2传统全控电力电子器件Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6GTO的开通和关断过程电流波形2.GTO的驱动特性门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）20耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT。20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。小功率领域，仅在功放机、激光电源等高精度、快速放大电路中使用。2.2传统全控电力电子器件电力三极管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）1.GTR的结构和工作原理21与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a)内部结构断面示意图b)电气图形符号c)内部载流子的流动2.2传统全控电力电子器件1.GTR的结构和工作原理电力三极管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）22Q1Q2D2D1ceb大电流GTR的β小，Ib过大为获得较大β，可将两晶体管组成复合管。β为两级之乘积，起到放大作用。Uces会有一定程度的增加。电阻：提供反向漏电流通路，提高复合管的温度稳定性。二极管：加速Q1的关断。达林顿结构1.GTR的结构和工作原理电力三极管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）2.2传统全控电力电子器件23开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。加快开通过程的办法：增大ib的幅值并增大dib/dt。关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff。加快关断速度的办法:一是减小饱和深度，最好是导通时工作在临界饱和状态，以减小储存电荷；二是增大基极抽取电流ib2的幅值和负偏压。GTR开关时间在几微秒（us）内，比晶闸管和GTO短，可用于工作频率较高的场合。2.2传统全控电力电子器件ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtdGTR的开通和关断过程电流波形2.GTR的驱动特效功率晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）24场效应晶体管结型绝缘栅型耗尽型耗尽型增强型P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道2.2传统全控电力电子器件金属-氧化层半导体场效晶体管（MOSFET）1.场效应晶体管分类Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor：MOSFET25耗尽型外加PN结反向电压控制场效应晶体管栅－源之间PN结耗尽层宽度变化来控制沟道电导，称之为结型。2.2传统全控电力电子器件金属-氧化层半导体场效晶体管（MOSFET）2.结型场效应晶体管26耗尽型P沟道符号耗尽型N沟道符号耗尽型由于栅极G与其余两个电极之间是绝缘的，外加栅、源级之间的电场控制半导体中感应电荷量的变化控制沟道电导，因此称之为绝缘栅型。DGSDS2.2传统全控电力电子器件金属-氧化层半导体场效晶体管（MOSFET）3.绝缘栅型场效应晶体管27耗尽层GDSN+N+P衬底二氧化硅N沟道反型层EDSP+P+N型沟道耗尽层GSD耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，称之为耗尽型。栅极电压大于零时才存在导电沟道，称之为增强型。按导电沟道可分为P沟道和N沟道。功率MOSFET主要是：增强型绝缘栅N沟道场效应晶体管增强型EGSEDS2.2传统全控电力电子器件金属-氧化层半导体场效晶体管（MOSFET）3.绝缘栅型场效应晶体管28目前流行的结构:具有垂直导电双扩散MOS结构的N沟道增强型MOSFET2.2传统全控电力电子器件金属-氧化层半导体场效晶体管（MOSFET）3.绝缘栅型场效应晶体管29MOSFET的工况可用其转移特性和输出特性表述：•Ⅰ：可变电阻区•Ⅱ：饱和区（恒流区，等效于晶体管的放大区）•Ⅲ：击穿区•Ⅳ：截止区MOSFET特性曲线IDVGSVGSth(a)转移特性IDVDSVGS=0VGS1=4VGS2=8VGS3=10(b)输出特性ⅠⅡⅢVBRⅣ通态时，MOSFET可等效为具有正温度系数的电阻！2.2传统全控电力电子器件金属-氧化层半导体场效晶体管（MOSFET）3.绝缘栅型场