现代电力电子技术第一章电力电子器件

1、 现代电力电子技术现代电力电子技术1现代电力电子技术河北工业大学河北工业大学 电气工程系电气工程系 现代电力电子技术现代电力电子技术绪论绪论 电力电子技术概念电力电子技术概念 电力电子技术就是应电力电子技术就是应用电力电子器件对电能进行变换和控制的用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。技术。 电能变换的四种形式电能变换的四种形式 电力电子技术发展的两个阶段电力电子技术发展的两个阶段 传统电力电子技术传统电力电子技术 现代电力电子技术现代电力电子技术 现代电力电子技术现代电力电子技术 现代电力电子技术现代电力电子技术 传统电力电子技术的缺点传统电力电子技术的缺点 先天不足（半控型器件、工作频

2、率低，移相控制）先天不足（半控型器件、工作频率低，移相控制） 整机体积大、功率因数低、网侧及负载谐波严重整机体积大、功率因数低、网侧及负载谐波严重 后期处于停滞阶段后期处于停滞阶段 新型器件及工艺的提高新型器件及工艺的提高 上个世纪上个世纪80年代以后出现的年代以后出现的GTO、GTR、IGBT和和MOSFET为代表的高频全控型器件代替了变流装置为代表的高频全控型器件代替了变流装置中的晶闸管，这些新型变流装置具有功率增益高、中的晶闸管，这些新型变流装置具有功率增益高、控制灵活、动态特性好、效率高等优点。控制灵活、动态特性好、效率高等优点。 现代电力电子技术现代电力电子技术 随着集成工艺的提高，

3、开发出了功率集成电路随着集成工艺的提高，开发出了功率集成电路（PIC)和智能功率模块和智能功率模块(IPM)，这是微电子技术与，这是微电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而成就的电力电子技术在各自发展的基础上相结合而成就的新一代高频化、全控型的功率集成电路。新一代高频化、全控型的功率集成电路。 由于上述特点，可以说电力电子技术由传统电力电由于上述特点，可以说电力电子技术由传统电力电子技术跨入了现代电力电子技术。子技术跨入了现代电力电子技术。 现代电力电子技术的特点现代电力电子技术的特点 集成化集成化 全控型器件都是由许多单元器件并联而成。全控型器件都是由许多单元器件并联而成。 高频化

4、、全控化高频化、全控化 PWM控制方式控制方式 PWM已成为电力变化的核心技术。已成为电力变化的核心技术。 控制技术的数字化与智能化控制技术的数字化与智能化 PIC和和IPM的应用预示的应用预示着电力电子技术与计算机控制技术已密不可分。着电力电子技术与计算机控制技术已密不可分。 现代电力电子技术现代电力电子技术 高效率与软开关技术 器件高频化带来了开关损耗和开关噪声的增加，使电路效率下降、电磁干扰增大。为了解决这些问题，提出了软开关技术。 现代电力电子技术展望 电力电子器件（高频大功率、集成化与智能化、新材料（碳化硅、金刚石）有关资料介绍，与硅材料器件相比，采用金刚石的MOSFET,其功率可提

5、高106数量级，频率提高50倍，通态压降降低一个数量级，结温高达600 变换电路 传统电力电子技术采用相控电路，而现代电力电子技术已经由四大基本变换向PWM电路以及软PWM电路发展。 现代电力电子技术现代电力电子技术 控制技术 随着计算机控制技术的应用现代电力电子装置的控制不仅依赖硬件电路，而且可以利用软件编程，既方便灵活又利用复杂控制策略和方案的实现。 传统电力电子技术的研究其实就是电源技术，但是现代电力电子技术不仅在电源技术方面满足各种负载的要求，提供巨大的经济效益，同时也在电力系统中作为电子补偿器来控制电能的传输，从而改善电力系统的运行特性和运行经济性。这类应用涉及高压大功率开关电路和复

6、杂的控制技术。 现代电力电子技术现代电力电子技术7第第1 1章章 电力电子器件的开关特性电力电子器件的开关特性 现代电力电子技术现代电力电子技术8电力电子器件，即通常所说的电力半导体器件，种类繁多，总体上，可以从三个角度出发对其进行分类，如图l1所示。图图l l1 1 电力电子器件电力电子器件“树树”1.1 1.1 电力电子器件电力电子器件 概述概述 现代电力电子技术现代电力电子技术9 根据器件的不同，开关特性可分为两大类型：半控型器半控型器件和全控型器件件和全控型器件。图11中普通晶闸管（SCR）及其派生器件为半控型器件，其余三端器件均为全控型器件。 根据半导体器件内部电子和空穴电子和空穴两

7、种载流子参与导电的情况，众多的电力电子器件可分成单极性、双极性和混合型单极性、双极性和混合型三种类型三种类型。凡由一种载流子参与导电的称为单极型器件；凡由电子和空穴两种载流子参与导电的称为双极型器件；由单极型和双极型两种器件组成的复合器件称为混合型器件。 现代电力电子技术现代电力电子技术10 除上述两种分类方法外，根据控制极（包括门极、栅极或基极）信号的不同性质，电力电子器件还被分成电流控制电流控制型和电压控制型两种类型型和电压控制型两种类型。电流控制型器件一般通过从控制极注入或抽出控制电流的方式来实现对导通或关断的控制；而电压控制型器件是指利用场控原理控制的电力电子器件，其导通或关断是由控制

8、极上的电压信号控制的，控制极电流极小。 单极型器件只有一种载流子（多数载流子）参与导电，是电压控制型器件，具有控制功率小、驱动电路相对简单、工作频率高、无二次击穿问题、安全工作区宽等显著特点，其缺点是通态压降大、导通损耗大。 现代电力电子技术现代电力电子技术11 双极型器件中两种载流子都参与导电，具有通态压降小、导通损耗小的显著特点，多数属于电流控制型，其缺点是控制功率大、驱动电路较复杂、工作频率较低、有二次击穿问题等。 混合型器件又称为复合型器件，是人们在比较单极型和双极型的优缺点后，基于两者互为短长的事实取两者所长而制成的一类新型器件。利用双极型器件作为它的输出级，而利用单极型器件作为它的

9、输入级，所得到的复合器件发扬了两者的优点，摒弃了两者的缺点，成为一代新型的场控复合器件。其典型代表就是IGBT。IGBT正在取代BJT成为一种应用前景十分广阔的场控电力电子器件。 现代电力电子技术现代电力电子技术12 1.2 1.2 绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBTIGBT） IGBT综合了MOS场效应晶体管（MOSFET）和双极晶体管（BJT）的特点。IGBT栅极输人高阻抗，是场控器件，这一点是MOSFET的特性；另外，IGBT的输出特性饱和压降低，这一点是BJT的特性。目前，IGBT的容量已经达到 BJT的水平，而且它的驱动简单、保护容易、不用缓冲电路、开关频率高，这些都使

10、 IGBT变频器比 BJT变频器有更大的吸引力。 现代电力电子技术现代电力电子技术131.2.1 IGBT1.2.1 IGBT产品介绍产品介绍 IGBT自80年代后期投入市场以来，产品已经系列化、模块化，容量不断提高。 以西门子公司的产品为例，已经有600、1200、1700和3300V四个电压等级的系列产品。 一单元模块：1200V的达到2400A；170OV 的达到1800A；3300V的达到1200A。 二单元模块：1200V的达到800A；1700V的达到600A；3300V的达到400A（样品）。 现代电力电子技术现代电力电子技术14六单元模块：1200V的达到100A，研制水平达到

11、400A；1700V的达到75A，研制水平达到300A。 目前，一单元模块最高水平已达到4000V、1800A。ABB公司已经开发出5000V的 IGBT。1994年日本开始开发平板形IGBT到1998年已经达到2500V、1000A的水平，据报道，这种平板形IGBT的开发成功，有可能将IGBT由中、小功率扩大到大功率领域。1.2.2 IGBT1.2.2 IGBT的构造说明的构造说明 IGBT的栅极利用MOS电容器引起的沟道反型及恢复，完成时IGBT导通和关断的控制。图18为IGBT的电路符号，这里应该注意，关于IGBT的电路符号，全世界还没有达到统一。 现代电力电子技术现代电力电子技术15图

12、图 1 17 IGBT7 IGBT基本结构基本结构 图图1 18 IGBT8 IGBT等效电路和符号等效电路和符号 现代电力电子技术现代电力电子技术161.2.3 IGBT1.2.3 IGBT的主要参数与基本特性的主要参数与基本特性 1.集电极发射极额定电压 2.栅极发射极额定电压 3.额定集电极电流 4.集电极发射极饱和电压 5.开关频率 IGBT的实际工作频率都在 100kHZ以下，即使这样，它的开关频率、动作速度也比 BJT快得多，可达 3040kHZ。开关频率高是IGBT的一个重要优点。 CESUGESUCI)(satCEU 现代电力电子技术现代电力电子技术17 IGBT的输出特性类似

13、于 BJT。图 l9a是 2MBIl00060在模块壳温 为25时的输出特性。由图可见，栅极发射极电压越低时，IGBT的饱和导通压降越高，损耗越大，因此栅极控制电压 应该在1520V之间。此外，IGBT的输出特性还与温度有关，温度升高时，集电极发射极饱和压降也随着升高。ZMBIl00060的安全工作区如图19b所示。 CTGEU 现代电力电子技术现代电力电子技术18图图 l l9 ZMBll009 ZMBll00060060的输出特性和安全工作区的输出特性和安全工作区 a a）ZMBll00ZMBll00060060的输出特性的输出特性 b b）2MBll002MBll00060060的安全工

14、作区的安全工作区 现代电力电子技术现代电力电子技术191.2.4 1.2.4 使用使用IGBTIGBT时注意事项时注意事项 （1）一般IGBT的驱动级正向驱动电压 应该保持在1520V。 （2）使IGBT关断的栅极驱动电压 应大于5V。 （3）使用IGBT时，应该在栅极和驱动信号之间加一个栅极驱动电阻 ，可以在IGBT的使用手册中查到推荐的电阻值。如果不加这个电阻，当管子导通瞬间，可能产生电流和电压颤动，会增加开关损耗。 （4）当设备发生短路时， 电流会急剧上升，为了保护管子，在栅极发射极间加稳压二极管，钳制G-E电压的突然上升。GEUGEUGRCI 现代电力电子技术现代电力电子技术201.2

15、.5 IGBT1.2.5 IGBT的驱动的驱动 IGBT正日益广泛地应用于小体积、低噪声、高性能的电源、通用变频器和电动机速度控制、伺服控制、不间断电源（UPS）、电焊机等。针对IGBT的所有优点而开发出专用驱动模块。 目前，国内市场应用最多的IGBT驱动模块是日本富士公司开发的EXB系列，它包括标准型和高速型。标准型的驱动电路信号延迟最大4s，高速型的驱动电路信号延迟最大为l.5s。 现代电力电子技术现代电力电子技术21图图 1 110 EXB85110 EXB851的应用电路的应用电路 现代电力电子技术现代电力电子技术22 1.3 1.3 其他电力半导体器件其他电力半导体器件 1.3.1

16、1.3.1 电力电力 MOSMOS场效应晶体管（场效应晶体管（MOSFETMOSFET） 电力MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是IGBT发展的基础，IGBT的开发及应用在某些场合代替了电力MOSFET，但是，就目前来看，电力MOSFET在高速开关、开关电源、变频器等方面亦有很多应用。 现代电力电子技术现代电力电子技术231.3.1.1 1.3.1.1 电路符号电路符号图图l l11 MOSFET11 MOSFET的电路符号的电路符号 现代电力电子技术现代电力电子技术241.3.1.2 1.3.1.2 特性及参数特性及参数 MOSFET与IGBT有相似的正向伏安特性（见图112）。M

17、OSFET的主要参数如下： 1最大漏极电流 2漏极-源极间击穿电压 3导通电阻 4阈值电压 5开关频率 现代电力电子技术现代电力电子技术25 图图1 112 MOSFET12 MOSFET的输出特性的输出特性 MOSFET的开关速度和工作频率比BJT要高l2个数量级，它的开关时间和频率响应主要取决于栅极输入端电容的充放电时间。MOSFET的开关时间为几微秒至几十微秒，而BJT的开关时间为50500s。因此，MOSFET开关频率要高得多，可达500kHZ以上。 现代电力电子技术现代电力电子技术261.3.2 1.3.2 门极关断（门极关断（GTOGTO）晶闸管）晶闸管 普通晶闸管（SCR）在整流

18、器、交一交变频器及某些有源逆变电路中，扮演了很好的角色。这是由于交流电源每进入负半周时，SCR承受反向电压而自行关断。目前，已经上市的 GTO容量已经达到6000V4000A。用大容量的 GTO组装的变频器容量为6003000kVA。因此，GTO是大中容量变频器选用的电力半导体器件。 现代电力电子技术现代电力电子技术27 1.4 1.4 智能电力模块（智能电力模块（IPMIPM） 智能电力模块（Intelligent Power ModuleIPM）是电力集成电路（Power Integrated CircuitsPIC）的一种；还有一种高压电力集成电路，这里不介绍。IPM有时还称为智能集成电路（Smart Power Integrated C