第3章_电力电子器件与变换器.ppt

第三章电力电子设备和转换器， 3.1功率半导体器件分类3 . 1 . 1 . 1功率半导体器件分类3.1.2根据功率半导体器件控制方法分类3.1.3根据功率半导体器件驱动方式分类3.1.4功率半导体器件载波特性分类3.2功率半导体器件的工作原理和特性3.2.1单PN结器件(二极管) 工作原理和特性3.2.2多PN连接设备工作原理3.2.3多PN连接设备特性3.3电力电子转换器拓扑3.3.1转换器理想开关定义3.3.2转换器基本拓扑设备、3章电力电子设备和转换器、 基于3.3.3设备特性的转换器基本拓扑单元3.3.4 2级拓扑3.4多级电力电子转换器3.4.1多级转换器基本3.4.2二极管箝位多级转换器3.4.3电容悬浮多级转换器3.4 ，3.1.1按电力半导体器件开发分类，1 .第一代设备2。第二代设备3。Thyristor，也称为第一代设备，主要是功率二极管(PowerDiode)和晶闸管(SiliconControlledRectifier，SCR)，是电力电子技术发展的早期主要设备，是现有电力电子技术的标志。2 .关机晶闸管(GateTurn-offThyristor，GTO)、大功率晶体管(GiantTransistor，GTR)和功率场控制晶体管(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor)随着电力电子的发展，对设备的可控制性提出了更高的要求，与第一代设备相比，这种设备最明显的区别是可控制关机，这也是现代电力电子技术的标志。3 .主要是高性能绝缘栅极双极晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor)等设备其中，IGBT成为第三代电力电子设备的代表性代表。3.1.2根据功率半导体器件控制方式分类，1 .非控制2。半控制3。完全控制，1 .非控制，这种装置是两端装置，通常一端是正极，另一端是负极。开关操作仅取决于设备的量、阴极间电压、双向传导、负阻和电流在一个方向流动。打开和关闭不能由设备本身控制，因此这些设备称为非控制设备，这些设备主要是各种类型的电源二极管，如大功率二极管、快速恢复二极管、肖特基二极管等。2 .半控制，这种装置是除了正负之外，还添加了控制闸门的三端装置。半控制装置也具有单向导电特性，这不仅要求在正负之间施加正向电压，还要求在栅极和阴极之间输入正向控制功率，这称为“开放式可控”。但是，这种装置一旦开通，就不能再用栅极控制切断，在量、阴极之间添加的电压的极性或强制阳极电流将变为0，因此被称为半控制装置。这些设备主要指晶闸管和双向晶闸管、逆转换器等派生设备。3 .完全控制，这个装置也是有控制端的三端装置，其控制端不仅能控制它的开通，还能控制它的关闭，所以被称为完全控制装置。由于不需要外部阻塞条件，只能通过自我控制关闭，因此这种设备通常称为自阻塞设备。这些设备有多种类型，GTR、GTO、power MOSFET、IGBT等操作机制也有多种。，3.1.3根据电力半导体器件驱动方式分类，1 .电流控制装置2。电压控制装置，1 .电流控制设备、电流控制设备必须有足够的驱动电流来切断设备，因此通常需要更大的驱动功率，如SCR、GTR、GTO等。2 .电压控制装置，电压控制装置的电源切断只需要足够的电压和很小的驱动电流，所以电压控制装置只需要很小的驱动功率。这些设备包括IGBT、MOSFET等。3.1.4根据电力半导体器件的载波特性分类，1 .双极器件2。单极子3。混合设备，1 .双极器件、双极器件是设备内部电子和腔的两种载体都参与导电过程的半导体器件，这些器件的通过状态电压降低、截止电压和电流容量适合于大中型转换器装置。GTR、GTO、GCT(IGCT中的闸极转换器晶闸管，不包括闸极电路)和SITH是常见的。2 .单极装置，单极装置是指设备中只有一个载波(即大部分载流量)参与导电过程的电力半导体装置，典型元件有功率电场控制晶体管(MOSFET)和静电感应晶体管(SIT，StaticInductionTransistor)。功率MOSFET是一种电压控制设备，具有低驱动功率、高开关速度、无二次故障问题、大安全工作区等突出特征。该装置还具有电流负温度系数、良好的电流自动调节功能、良好的热稳定性、高抗干扰功能等优点。缺点是一般电阻大，传导压降高。另外，由于导电机制和结构的特性，电流容量和压力上升更加困难。常用于中小型、开关频率高的转换器装置。3 .混合装置，图3-2部分电力半导体器件结构图，3.2电力半导体器件的工作原理和特性，1)其他杂质半导体材料的PN结特性。2)设备内的PN连接交互。3)设备内部PN连接和外部条件之间的作用。3.2功率半导体器件工作原理和特性，图3-3部分电力电子开关器件符号图，3.2.1单PN结器件(二极管)工作原理和特性，1 .能量级别和能量带2。电子和孔3。电离和复合4。小数和多个子5。扩散和漂移6。空间电荷区7。正负8。少数注射和小肠提取9。电导调制效应10。通过压降和电阻泄漏电流11。PN接头的电击穿12。PN接头的热破坏，3.2.1单PN接头元件(二极管)的工作原理和特性，13 .PN接头的电容效应14。PN接头的电路外部性质，1 .能量水平和能量带，图3-4半导体原子内部电子所在的能量水平和能量带图，2。电子和孔，图3-5半导体晶体的自由电子和孔形成图，3。电离和复合，在本特征半导体中，由于晶体本身的原子的热运动，原子价电子作为导带不断产生。这个过程被称为电子和空腔的“电离”。相反，准则中的自由电子在运动中很有可能与孔相遇，此时以一定的方式释放原来吸收的能量，就可以回到被称为电子和空腔的“complex”的价格范围内。在平衡状态下，半导体内部规定了电子和空腔的数量。也就是说，单位时间内电离的载波数等于复合数。也就是说，电离速度和复合率相同，保持载流量恒定浓度的动态平衡。4 .小肠和多边，图3-6P型半导体和n型半导体，5。扩散和漂移，图3-7PN接合图，6 .空间电荷区，扩散运动和漂移运动相互连接和矛盾。在一定温度下，两者均达到动态平衡时，正负空间电荷量达到稳定值，总量不再变化，形成由空间电荷组成的稳定范围，称为空间电荷区。在整个空间电荷区内，正电荷和负电荷量相等，保持电气中立的就是PN连接。7 .正负，图3-8PN接头的正负，8 .斜接注入和斜接提取，当PN连接处于正偏置状态时，外加电场作用下的扩散运动大于漂移运动，并形成扩散电流。由于中和的结果，空间电荷减少，PN连接变窄，这种现象也称为“小数注入”。在外电道路上形成流向p区的电流，称为正向电流IF。外部电压ud增加时，PN接头内的电场进一步减弱，扩散电流增加。正向PN连接表示为可以流动较大正向电流(称为正向传导)的较小阻力。9 .电导调制效果，回波注入效果，外部电场减弱内部电场，破坏PN结的原始平衡。从电路的角度来看，通过改变PN连接的电阻，电流增加，电阻减少的现象称为电导调制效应。子注入效果也称为非平衡载体注入效果。双极器件的电导率调制效果是主要特征之一。10 .通过压降和阻力泄漏电流、PN连接正向传导过程中的更大正向电流可以表示为短路状态，但PN连接的两端仍有恒定的压力降，此压力降与PN连接中的阻力和挡墙相关。这称为通过状态压力降，通常以u0表示，约为0.53V。PN连接相反终止时，由于少量载流量倾向于在一定温度下使漂移电流的数值保持不变，因此，它显示为从外线流向n区的反向电流，该电流称为反向饱和电流，也称为阻塞泄漏电流，通常称为微安培。11 .PN接头的电击穿，图3-9PN接头雪崩破坏图，12 .PN接头的热破坏，PN接头的反向电流随接头温度t的增加而增加。这与中性区中少数载流子浓度和空间电荷区中产生的电流随着温度的增加而增加有关。温度上升还会影响PN结的雪崩击穿电压。为了防止这种热效应严重影响连接设备的稳定性，必须对设备采取有效的散热措施，因此电力电子设备中的电力半导体器件大部分安装在散热器上。13 .PN结的电容效应，图3-10屏障电容和扩散电容的变化，14 .PN连接的电路外部特性，图3-11二极管稳态特性等效电路，14 .PN接头的电路外部特性，图3-12二极管的电压电流特性曲线，14 .PN接头的电路外部特性、图3-13二极管的正片、反向恢复过程、3.2.2多PN接头设备的工作原理、1 .大功率晶体管基本工作原理2。MOSFET的基本工作原理3。IGBT的基本工作原理4。IGCT的基本结构和工作原理，3.2.2多PN结装置的工作原理，图3-14 3个功率半导体元件的结构图，1 .大功率晶体管的基本工作原理，图3-15一个PNP型晶体管的结构图和符号图，2 .MOSFET的基本工作原理，图3-16MOSFET的模拟结构，3 .IGBT的基本工作原理，图3-17IGBT等效电路，3 .IGBT的基本工作原理，表3-1HVIGBT模块CM900HB-90H的基本性能参数，4 .IGCT的基本结构和工作原理，图3-18中3种不同类型的IGCT符号为4 .IGCT的基本结构和工作原理，图3-19GTO和GCT的剖面图，4 .IGCT的基本结构和工作原理，图3-20IGCT的等效图，4 .IGCT的基本结构和工作原理，图3-21IGCT的开和关图，3.2.3多PN连接设备的特性，1 .过渡特性2。电压电流特性3。擎天主素效果4，也称为锁定效果。开放和封锁过程5。设备的du/dt容错和di/dt容错，1 .过渡特性，图3-22IGBT的过渡特性，2 .伏安特性、伏安特性是具有IGBT集电极电流和聚合极之间电压关系的曲线系列，使用栅四重电压UGE作为基准变量，如图3-23所示。第一个象限是正常和正向阻力特性，第三个象限是反向阻力特性。在某些实际应用中，IGBT具有反向电阻特性，即二极管的通过状态特性，即反向并行二极管。同样，理想的IGBT伏安特性如图3-24所示。，3 .擎天柱效果(也称为锁定效果)，图3-23IGBT伏安特性曲线，3。擎天柱效果(也称为锁定效果)，图3-24异常化的IGBT伏安特性曲线，4 .打开和关闭流程，图3-25IGBT打开和关闭电压电流图，4 .打开和关闭过程，表3-2以上多PN结电源电子开关设备特性比较，5 .设备的du/dt电阻和di/dt电阻是电源半导体器件特性中通过设备的最大电流和设备承受的最大电压，以及电压和电流的变化率，是非常重要的性能参数。3.3电力电子变换器的拓扑，图3-26具有相同拓扑，但可以认为是其他设备的逆变电路，3.3.1变换器理想开关的定义，1)通过状态，电阻极低的电阻，电阻为零。2)在电阻状态下，电阻被认为是很大的电阻，电阻可以被认为是无穷大的。3)开通和关闭，即在通过状态和电阻状态之间切换，转换时间为零。4)通过状态，至少能在一个方向上流动电流；在电阻状态下，至少可以在一个方向承受电压，理想的开关可以通过双向电流，双向电压，即双向控制开关来循环电流。1)在通过状态下，两端的压力降为零，而不考虑流动的电流。(2)抵抗时，不管两端施加的电压有多大，电流都流向0。3)开放时，即从电阻状态转换为通过状态时，施加在电阻状态两端的压降在0小时内减少到0。3.3.1转换器的理想开关定义，4)在关机时，即从通过状态切换到电阻状态时，通过电流0小时，其通过状态降低到0。5)双向控制开关，在正常状态下，循环电流的方向可以是正的。在电阻状态下，两侧的电压可以是正数，如图3-27所示。这意味着两个坐标轴在电压和电流相位平面上工作。6)理想设备与实际设备相比，正常状态和电阻时间宽度可以无限小(即，没有最小脉宽限制)。图3-27双向可控理想开关的开关轨迹，图3-28耦合和非耦合双向控制开关，3.3.2变换器的基本拓扑单元，1)具有电压源特性的组件(包括电压源、电容等)不能短路。2)具有电流源、电感等电流源特性的组件不能开放。3.3.2转换器的基本拓扑单元，图3-29n相输入p相输出开关矩阵转换器，3.3.2转换器的基本拓扑单元，图3-30降压和升压转换器的原理示意图，图3-31n相输入p相输出开关矩阵转换器(n=p=1)，图3-3 表3-3 6个DC/DC转换器的输出与输入电压的关系，基于3.3.3设备特性的转换器基本拓扑单元，1)在通过状态下，流通电流在限制范围内工作，两端的压降与通过电流相关，通常其值很小，这称为通过状态压降。 (2)在电阻状态下，两端接收的电压在限制范围内工作，泄漏电流与两端接收的电压相关，通常其值较小，被称为截止泄漏电流。3)开通时，即从阻力状态转换为通过状态时，在阻力状态两端施加的压力降在一定时间内，随着一定规律的变化，通过状态压力降减少。4)关机时，即从通电状态转换到电