搜索
电力电子技术PowerElectronics安徽省高等学校精品课程合肥工业大学电气与自动化工程学院张兴电力电子技术第2章电力电子器件及应用12345晶闸管（SCR）可关断晶闸管（GTO）电力晶体管（GTR）6电力电子器件基础电力电子器件的特点与分类功率二极管功率场效应晶体管(MOSFET)7绝缘栅双极型晶体管(IGBT)8电力电子技术910其它新型电力电子器件电力电子器件的发展趋势电力电子器件应用共性问题11总结12第2章电力电子器件及应用电力电子技术电力电子器件（PowerElectronicDevice）—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（MainPowerCircuit）—电力电子设备或系统中，直接完成电能变换或控制的电路。2.1.1电力电子器件的特点电力电子技术DFIG网侧控制器转子侧控制器SVPWMSVPWMdcVgigvL1iL2icvEMI接触器接触器EMIrinsisvdu/dt抑制器LCL滤波器升压变压器690V码盘核心控制单元核心控制单元核心控制单元监控系统外部通讯双馈型风力发电机驱动控制变流器2.1.1电力电子器件的特点电力电子技术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。自20世纪50年代以来，真空管（VacuumValve）仅在频率很高（如微波，数GHz）的大功率高频电源中还在使用，而在大多数电能变换领域，电力半导体器件已取代了汞弧整流器、闸流管等电真空器件，成为绝对的主流器件。因此，通常所说的电力电子器件也往往专指电力半导体器件。电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅(也可以是锗、硒、金刚石等单元素材料，或者是砷化镓、碳化硅等化合物材料）。2.1.1电力电子器件的特点电力电子技术同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：1）具有较大的耗散功率•处理功率较大，具有较高的导通电流和阻断电压•器件自身的非理想性（导通电阻、阻断漏电流等）•一般都需要安装散热器2.1.1电力电子器件的特点电力电子技术2.1.1电力电子器件的特点电力电子技术2)电力电子器件一般都工作在开关状态导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定电力电子器件的动态特性（开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，特别是在高性能的电力电子系统设计时，甚至上升为最为关键的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替有时将其称之为电力电子开关或电力半导体开关。2.1.1电力电子器件的特点电力电子技术3)电力电子器件一般需要专门的驱动电路来控制在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行适当功率放大，这就是电力电子器件的驱动电路(DrivingCircuit）2.1.1电力电子器件的特点电力电子技术4）电力电子器件工作时常需配置缓冲和保护电路•电力电子器件的过压、过流能力较弱•开关过程中电压、电流会发生急剧变化•保护电路用于防止电压和电流超过器件极限值2.1.1电力电子器件的特点•为了增强可靠性通常需要缓冲电路抑制电压电流变化率电力电子技术电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。控制电路RL主电路V1V2检测电路驱动电路保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行电气隔离控制电路电力电子器件有三个端子组成2.1.1电力电子器件的特点电力电子技术2.1.2电力电子器件的分类电力电子技术1）不可控器件(UncontrolledDevice2）半控型器件(Semi-controlledDevice)3）全控型器件(Full-controlledDevice)2.1.2电力电子器件的分类1、按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：电力电子技术1）不可控器件(UncontrolledDevice)——不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。电力二极管（PowerDiode）电力二极管只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的2.1.2电力电子器件的分类电力电子技术2）半控型器件(Semi-controlledDevice)——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断，器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件2.1.2电力电子器件的分类电力电子技术3）全控型器件(Full-controlledDevice)——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件：绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）电力场效应晶体管（PowerMOSFET，简称为电力MOSFET）门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）GTR(大功率晶体管）、SIT(静电感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管）、IGCT（集成门极换向晶体管）等2.1.2电力电子器件的分类电力电子技术电力电子器件件可控器件非可控器件整流二极管自关断器件非自关断器件普通晶闸管(SCR)快速晶闸管(FST)双向晶闸管(TRIAC)逆导晶闸管(RCT)光控晶闸管(LTT)晶体管晶闸管双极型电力晶体管(GTR)电力场效应晶体管(PMOSFET)绝缘栅双极电力晶体管(IGBT)静电感应型晶体管(SIT)门极可关断晶闸管(GTO)场控晶闸管(MCT)静电感应型晶闸管(SITH)电力电子器件分类树12.1.2电力电子器件的分类电力电子技术2、按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：1)电流驱动型(CurrentDrivingType)——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。如GTO、GTR2)电压驱动型(VoltageDrivingType)——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。又称为场控器件，或场效应器件。如MOSFET2.1.2电力电子器件的分类电力电子技术3、按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：1)单极型器件(UnipolarDevice)：由一种载流子参与导电的器件（MOSFET,SIT,肖特基二极管）2)双极型器件(BipolarDevice)：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件（GTR,GTO,SITH，SR）3)复合型器件(ComplexDevice)：由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件（IGBT,MCT,IGCT）2.1.2电力电子器件的分类电力电子技术电力电子器件分类树2MCTIGBT功率MOSFET功率SIT肖特基势垒二极管SITHGTORCTTRIACLTT晶闸管电力二极管双极型单极型混合型复合型（（图1-42GTR2.1.2电力电子器件的分类电力电子技术2.2.1PN结原理半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。其导电能力受到外部条件（如光、热等）影响。半导体是否纯净也会影响其导电能力。本征（instinct）半导体：是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在绝对零度时，其价带满带（充满电子），而其导带则无电子。+4+4+4+4+4+4+4+4+42．2电力电子器件基础电力电子技术+4+4+4+4+4+4+4+4+4温度光照自由电子空穴本征激发空穴—共价键中的空位空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。由热激发或光照而使电子脱离共价键，从而产生自由电子，同时在共价键中形成空穴，由此产生自由电子和空穴对（载流子）。温度载流子浓度＋2.2.1PN结原理电力电子技术载流子：（源于金属导体），电流是电子在导体中的定向流动，而在金属导体中能够运载电流的只有其中的自由电子，他们是金属原子结合成固体时释放出来的供全体原子共有的最外层电子，即价电子，为了区别于被束缚的内层电子，人们将其称之为载流子。2.2.1PN结原理电力电子技术几个重要概念：原子最外层的电子称为价电子；目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结2.2.1PN结原理价带上的电子是不能导电的，只有当价带上的电子获得足够的能量跨越禁带而跃迁到导带上成为自由电子后，并在外电场的作用下即可导电；绝缘体的禁带很宽，半导体的禁带较窄，导体没有禁带；本征半导体价带中的电子被激发到导带后，同时会在价带上出现空穴；导带上的自由电子和价带中的空穴都能在外电场的作用下产生定向运动而形成电流；电力电子技术几个重要概念：目录2．1电力电子器件的特点与分类2．2电力电子器件基础2．3功率二极管2．4晶闸管2．5可关断晶闸管（GTO）2．6电力晶体管2．7功率场效应晶体管2．8绝缘栅双极型晶体管*2．9其它新型电力电子器件2．10电力电子器件的发展趋势2．11电力电子器件应用共性问题小结2.2.1PN结原理半导体中的导带电子与价带空穴都是运载电流的粒子，因此称为载流子；价带中空穴的移动始终是价带中束缚电子在共价键内的移动，它和已经挣脱共价键而跃迁至导带中的自由电子完全不同；在本征半导体中自由电子和空穴总是成对出现的，即其导带电子与价带空穴数总是相等的。电力电子技术+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4N型半导体（电子型半导体：多数载流子-电子；少数载流子-空穴）在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑)多余电子，成为自由电子+5自由电子（多数载流子）杂质半导体：在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。+52.2.1PN结原理施主杂质电力电子技术+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3P型半导体（空穴型半导体：多数载流子-空穴；少数载流子-电子））（空穴型半导体）在本征半导体中掺入三价的元素（硼）+3空穴(多数载流子）受主杂质2.2.1PN结原理电力电子技术PN结：是指半导体的P型导电区和N型导电区的结合部。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场N型半导体和P型半导体结合后，交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子。2.2.1PN结原理界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子，称为空间电荷。电力电子技术空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是矛盾的，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围——空间电荷区-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场接触电位差2.2.1PN结原理空间电荷区按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区（Barrier）。电力电子技术正向偏置-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。++·+·++·+·+--+--空间电荷区+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·PNN-1)在正向偏置外电场作用下,P区和N区多子的扩散运动得以加强，而少子的飘移运动则得以抑制。2)P区和N区多子穿过耗尽层，到达对方，并成为了对方少子的一部分，这一过程称为少子注入，这是正向偏置传导电流的根本方式。2.2.1PN结原理电力电子技术-。-