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第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用电力电子技术原理与应用2020年1月4日2第二章电力电子器件电子开关的实现：可能性电力电子技术原理与应用2020年1月4日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第二章电力电子器件.电力电子技术原理与应用2020年1月4日4•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子开关的实现：问题两开关可能会同时通或同时断第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日5•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子开关的实现：问题•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电力电子技术原理与应用2020年1月4日6•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子开关的实现：问题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电力电子技术原理与应用2020年1月4日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电力电子技术原理与应用2020年1月4日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电力电子技术原理与应用2020年1月4日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电力电子技术原理与应用2020年1月4日10功率半导体器件（实际电力电子开关）F:ForwardR:ReverseB:BidirectionC:ConductingB:Blocking第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日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电力电子技术原理与应用2020年1月4日12换流技术及电子开关器件年谱第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日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电力电子技术原理与应用2020年1月4日14功率二极管vDiDKA-+vDiDVB0VF(I)反向阻断区IvDiD0符号实际伏安特性理想伏安特性第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日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电力电子技术原理与应用2020年1月4日16vAKiGKA-+iA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vAKiA0导通态导通过程正向阻断反向阻断vAKiA0G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电力电子技术原理与应用2020年1月4日17晶闸管第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日18螺栓型晶闸管外观第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日19螺栓型晶闸管外观第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日20平板型晶闸管外观第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日21平板型晶闸管外观第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日22换流器中的晶闸管组件第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日23高压直流输电换流器第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日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电力电子技术原理与应用2020年1月4日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电力电子技术原理与应用2020年1月4日26MOSFET•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电力电子技术原理与应用2020年1月4日27IGBT•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电力电子技术原理与应用2020年1月4日28绝缘栅型双极型晶体管（IGBT）vDS-+iDvGS-+GDSvDSiD0vGS0OnOffvDSiD符号实际伏安特性理想伏安特性第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日29小功率IGBT器件外观第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日30IGBT功率模块外观第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日31IGBT功率模块外观（侧面）第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日32IGBT功率模块外观（底面）第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日33GTO•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电力电子技术原理与应用2020年1月4日34常用电力电子器件及其特性第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日35常用电力电子器件组合及其特性第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日36全可控四象限开关第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日37替代二极管的可控开关第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日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电力电子技术原理与应用2020年1月4日39大直径LTT：8kV,4kA，用于HVDC等更大硅片直径大直径GTO：6kV，6kA，用于SVG、APF大功率IGBT：1.2kV，1kA，用于CVCF等大功率IPM：1.2kV，0.6kA，用于风力发电逆变更高电压等级IGBT/IPM更大功率水平IGBT/IPM高频单器件IGBT：1kV，60A，用于加热容器高频单器件IGBT：1.7kV，15A，用于CRT等功率MOSFET：中高电压等级，用于SMPS等低功耗系统集成化ThyristorTRIACGTOBJTIGBTIPMMOSFETIGBT10M101001k10k100k1M器件容量101001k10k100k100M1M10M工作频率(Hz)电力电子器件的应用场合第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日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电力电子技术原理与应用2020年1月4日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电力电子技术原理与应用2020年1月4日42宽禁带电力电子器件•SiC、GaN、AlN、AlGaN等•性能令传统半导体材料Ge、Si、GaAs望尘莫及•卓越的高温性能•良好的导热性能•非凡的抗电压击穿能力•高的载流子饱和漂移速度第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日43电力电子电路的“抽象”电路模型第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日44单相整流器“抽象”电路模型第二章电力电子器件电力电子技术原理与应用2020年1月4日45三相整流器“抽象”电路模型第二章电力电子器件