电力电子半导体器件(1-2)

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1、电力电子半导体器件参考书 1.电力电子器件及其应用李序葆、赵永健 编著机械工业出版社 2.现代电力电子技术张 立、赵永健 编著科学出版社 3.现代电力电子电路林渭勋 编著浙江大学出版社第一章 绪 论1.1 电力电子技术(Power Electronics)-以电力为对象的一门新兴高新技术学科。一、定义按美国电气和电子工程协会（IEEE）电子学会 的定义：有效地使用电力半导体器件、应用电路和设 计理论及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和 控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等 方面的变换。二、组成 1.电力电子器件 2.变流电路 3.控制电路-以电力电子器件制造技术为核心-以电力电子

2、器件为核心的主电路-以控制理论为核心的电子线路电力电子学电子 电路器件静止 电力旋转模拟 数字控制三、电力电子技术的发展1956年，第一个晶闸管（SCR）的发明，标志电力电子 技术的诞生。1、传统电力电子技术阶段（1957-1980年）1947年，第一只晶体管诞生，半导体电子学应运而生 。1956年，晶闸管问世，半导体电子学产生两个分支。 两个分支分支一：以晶体管集成电路为核心形成对信息处理的微电子技术。特点：集成度越来越高，规模越来越大，功能越来越全。-1971年，第一台微处理器问世。分支二：以晶闸管为核心，对电力进行处理的电力电子技术（整流顺变时代）特点：派生器件越来越多，功率越来越大，性

3、能越来越好。例如：普通晶闸管、快速晶闸管、逆导晶闸管（RCT）双向晶闸管（TRIAC）、不对称晶闸管（ASCR）等。应用：直流传动，电化学电源，电力机车牵引，直流输电等。各类SCR电压、电流、dv/dt、di/dt参数有很大提高，性 能越来越好。（普通SCR达到12KV，1KA；4KV，3KA）SCR器件和应用理论上都发展到了成熟阶段，从器件发 展上来看，电压、电流还有提高的可能。但是，实际上它的 发展却受到了制约。制约传统电力电子技术发展的因素a. 控制功能上欠缺：半控型器件，关断必须用电感、电容 和辅助电源组成强迫换相电路，使整机体积大、重量增 加、效率低、可靠性下降。b. 立足于分立式结

4、构，工作频率难以提高（小于400Hz)，应 用范围窄。c. 控制方式采用移相控制，使电网及负载上谐波严重，整机 功率因数低，电网“公害”大。2、现代电力电子技术阶段（1980年-现在）发展：70年代末期，结合微电子技术和电力电子技术，产生 了新一代高频化，全控型的功率集成器件，标志现代电力电子 技术阶段的开始。例如：可关断晶闸管（GTO）9KV，1KA；4.5KV,4.5KA电力晶体管（GTR） 单管:1KV,200A；模块:1.2KV,800A;1.8KV,100A功率场控晶体管（功率MOSFET） 1KV,38A绝缘栅双极型晶体管（IGT、IGBT）1.2KV,400A; 3.3KV,12

5、00A静电感应晶体管（SIT） fT:3050MHz,200A,1.2KV 静电感应晶闸管（SITH） 1KA/2.5KV; 2.2KA/450V; 400A/4.5KVMOS晶闸管（MCT） 1KV,100A特点:a. 全控化；避免了关断时的强迫换相电路，结构大大简化。b. 集成化：与传统电力电子器件不同，不采用分立方式；由 许多单元胞器件并联而成，子器件集成。如：1000A的GTO 含有近千个单元GTO；40A功率MOSFET由上万个单元并联 ；300A的SITH含有近5万个子器件。c. 高频化：由于器件集成化，工作速度大大提高。如：GTO 达12KHZ，GTR：25KHZ，功率MOSFE

6、T：几百KHZ ，SIT：10MHZ以上。d. 多功能化：除开关功能外，增加保护、检测、驱动等功能 ，有些器件具有放大、调制、振荡和逻辑运算的功能，使用 范围拓宽，电路简化。e. 电路弱电化：控制技术数字化，如：PWM控制技术，谐振 变换电路，高频斩波电路成为主要电路形式。1.2 电力半导体器件分类现代电力电子技术发展与电力半导体器件的发展密不可分 ，随新型控制器件的诞生，新型变换电路也相应有所突破。工业领域变流装置的变化过程旋转方式晶闸管出现前电动机直流发电机顺变方式晶闸管出现后可控硅整流装置， 电路效率高，体积 缩小，重量轻，节 省原材料，延长寿 命，消除噪音，便 于维护。 逆变方式现代电

7、力电子器件GTO，GTR，MOSFET ，IGBT等出现，各种逆 变器的产生，效率更高， 体积更小，重量更轻，工 作频率更高。静止方式一、分类电力电子器件非 可 控 器 件整流二极管普通整流二极管 快恢复二极管 肖特基二极管可 控 器 件半控型普通晶闸管SCR 快速晶闸管FST 双向晶闸管TRIAC 逆导晶闸管RCT 光控晶闸管LATT全控型双极型电力晶体管GTR 可关断晶闸管GTO 静电感应晶闸管SITH单极型功率MOSFET 静电感应晶体管SIT混合型绝缘栅双极型晶体管IGBT MOS晶闸管MCT 功率集成电路PIC高压集成电路HVIC 智能功率集成电路 SPIC二、全控型器件的特点1、双

8、极型器件：通态压降低、阻断电压高、电流容量大；用于中、大容量 变换装置。电力晶体管GTR（巨型晶体管）Giant Transistor类型： 单管 达林顿管 GTR模块特点：控制方便，开关时间短，高频特性好，通态压降低。容量：400A/1200V，工作频率：5KHz常用于500KW以下的变流装置。缺点：耐压难以提高（小于1500V），存在二次击穿问题。可关断晶闸管GTO(Gate Turn-off Thyristor)四层半导体双极型器件AP1N1P2N2GK 结构AGK等效电路AGK符号类型：螺栓型、平板型、GTO模块特点：耐压最高，电流容量最大，有充分的发展余地。 4500V/4500A，

9、9000V/1000A，工作频率：12KHZ。具有 自关断能力（省去强迫换流电路，体积减小，重量减轻，效 率高，可靠性增加）用于200KW以上的中、大容量设备中。如：电力机车牵引，交流电机调速，UPS电源，直流斩波。缺点：关断增益较小，关断电流较大。关断需缓冲电路来限制dv/dt。种类：逆阻GTO，逆导GTO，无反压GTO，掩埋门极GTO，放大门极GTO，MOSGTO。 静电感应晶闸管SITH（Static Induction Thyristor) 场控晶闸管常开型和常闭型两种，常开型在栅极上加反向偏压时，阻断状 态。无反向偏压时，导通状态。 AKG符号特点：通态电阻小，电压低，开关速度快损耗

10、小，关断电流增益大。容量：1000A/2500V，2200A/450V，400A/4500V工作频率：100KHz以上，用于高频加热电源。（取代电子管）2、单极型器件：只有一种载流子参与导电。功率场控晶体管（Power MOSFET)N沟道 P沟道DSGDGS特点：电压控制器件，驱动功率小，工作速度快，无二次击穿现象，安全区宽。电流负温度系数，有良好的电流自动调节能力，热稳定性好，抗干扰能力强。如：1000V/200A，开关时间13ns，工作频率几百KHz。 缺点：通态电阻大，导通压降较高。电流、电压容量提高难度大。用于中、小功率，开关频率较高的装置中。静电感应晶体管SIT（Static In

11、duction Transistor)三层结构的半导体，也称功率结型场效应晶体管（JFET）。是 一种非饱和输出特性的多子器件，为单极型器件。NSIT PSITDSGDSG特点：可工作于开关、放大状 态，非饱和输出特性。输出功率大、失真小、输入阻 抗高，开关特性好，热稳定性好，抗辐射能力强。fT: 3050MHz，电流200A/1200V，耗散功率3KW以上。用于高频加热电源，音频放大器，通信设施（各种发射机、 电台、电视发射机）及空间技术领域。3、混合型器件：双极MOS型器件结构：用耐压高，电流密度大，导通压降低的双极型器 件（SCR、GTR、GTO）做输出单元；用输入阻抗高，响 应速度快的

12、单极型器件MOSFET做输入级。器件兼有二者 的优点。绝缘门极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor)IGBT IGT 1982年研制，第一代于1985年生产，主 要特点是低损耗，导通压降为3V，下降时间0.5us，耐压 500600V，电流25A。第二代于1989年生产，有高速开 关型和低通态压降型，容量为400A/5001400V，工作 频率达20KHZ。目前第三代正在发展，仍然分为两个方 向，一是追求损耗更低和速度更高；另一方面是发展更 大容量，采用平板压接工艺，容量达1000A/4500V；命 名为IEGT（Injection Enhanced Ga

13、te Transistor)工作频率：20KHZ应用广泛 MOS晶闸管（MOS-Controlled Thyristor) MCT特点：阻断电压高，电流容量大，通态压降低，损耗小开关速度快，发展前景好。电压等级：5001000V；电流等级：50100A功率集成电路PIC（Power Integrated Circuit)将功率电路，驱动电路，控制电路，保护电路集成。高压集成电路 HVIC ：横向高耐压器件与控制电路集成智能功率集成电路 SPIC ：纵向功率器件与控制电路，保护电路，传感电路集成用于中，小功率，501000V，1100A的装置。 智能化电子技术时代1.3 全控型器件的比较比较指标

14、：电压，电流，工作频率一、单管VA容量（逆变器每臂用一个器件，输出功率与频率关系）P（W）f(Hz)102103104105106104103105106107108SCRGTOSITH IGBTGTR MOSFET二、电流与电压等级V(v)I(A) 11010410310210102103104GTOSITH GTRIGBT MOSFET四层结构 SCR、GTO、SITH属于高电压，大电流器件 ，在这方面还有发展的余地。三层结构 GTR、IGBT、MOSFET电压电流不如四层结 构器件。GTR可增大电流，但电压小于1500V。功率MOSFET导通电阻随电压升高而增大，提高耐压有 困难。目前，

15、IGBT发展很快，电流、电压高于GTR。三、工作频率P(VA)f(Hz) 101001K10K100K1M101001K10K100K1M10M100MSCR高压直流输电GTO机车UPSGTRUPS空调逆变器电机控制IGBT焊机电机控制MOSFET自动焊机、汽车、电磁炉GTR模块、MOSFET开关电源、音频电源1.4 变流电路与控制技术一、变流电路：以电力半导体器件为核心，通过不同的拓扑电路和控制方式，实现电能的转换与控制。 ACDC：整流，不可控整流（二极管），可控整流（SCR） DCAC：逆变电路电压源型逆变器电流源型逆变器谐振型逆变器输出恒压恒频电路：CVCF调压调频电路：VVVF DC

16、DC：斩波，将不可控直流电压变成可控直流电压。用于开关电源，直流电机调速。种类：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、库克斩波电路、半桥变换电路、全桥变换电路等。 ACAC：交流调压电路，变频电源。二、控制技术1相控技术：整流、逆变、ACAC变换适用于SCR半控型器件，但网侧谐波严重。2PWM脉宽调制技术：DCDC、DCAC、ACAC变换适用于各种自关断器件，谐波小、动态响应好、电路性能高。种类直流PWM正弦PWM（SPWM） 载波调制式按最小谐波计算开关角度式按电压矢量控制磁通轨迹式 调制和电流跟踪式全控型变流电路优、缺点：优点：体积小、重量轻、无噪音、维护方便功率增益高，控制灵活 控制特性好，反应快（响应时间S 级），动态过程短 效率高，节省能源缺点：过载能力低某些工作状态下功率因数低 电网造成“公害”，电磁干扰（EMI） 解决