第一部分电力电子技术的基本概况ppt课件

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1、第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略首首 页页1.1 电力电子技术的含义电力电子技术的含义 1.2 电力电子的主要运用方式电力电子的主要运用方式1.3 电力电子技术的开展历史电力电子技术的开展历史 1.4 电力电子技术的开展方向和前景电力电子技术的开展方向和前景 1.1 电力电子技术的含义电力电子技术的含义 第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 电电 能能利用最为普及利用最为普及的能量方式的能量方式特殊的能特殊的能量方式量方式易于转换的易于

2、转换的能量方式能量方式效力于人们效力于人们生活中的各生活中的各个方面个方面转换为交流电、直流电、转换为交流电、直流电、电磁辐射、激光束、脉冲、电磁辐射、激光束、脉冲、电弧、电磁能电弧、电磁能下 页前往下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 电力电子器件承载的电流大，接受的电压高；电力电子器件承载的电流大，接受的电压高； 模拟电子技术和数字电子技术中的电流、电压等当模拟电子技术和数字电子技术中的电流、电压等当作信号处置，不思索转换效率和散热等问题。作信号处置，不思索转换效率和散热等问题。电力电子技术运用

3、中涉及到高电压、大电流，须优电力电子技术运用中涉及到高电压、大电流，须优先思索电能的转换效率。先思索电能的转换效率。电力电子技术与模拟电子技术或信息电子技术都是电力电子技术与模拟电子技术或信息电子技术都是基于硅资料运用科学的一个分支，采用的是硅分子浸基于硅资料运用科学的一个分支，采用的是硅分子浸透技术。透技术。 较较比比下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 电能转电能转换功率换功率损耗损耗约约50%左右由电力电子器件吸收左右由电力电子器件吸收其他部分由电感、电容、维护电路其他部分由电感、电容、维护电

4、路和电路接口消化。和电路接口消化。电力电子器件耗费的功率 使器件的温升添加，如散热条件使器件的温升添加，如散热条件不好，将损坏电力电子器件，并不好，将损坏电力电子器件，并使整个安装、电网遭到破坏。使整个安装、电网遭到破坏。电力电子器件的维护是电力电子技术实践运电力电子器件的维护是电力电子技术实践运用中的重要部分。用中的重要部分。下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 电力电子技术的电力电子技术的前景前景大量运用在高压直流输电、灵敏交流输电大量运用在高压直流输电、灵敏交流输电系统、电气传动控制、自动化消

5、费线以及系统、电气传动控制、自动化消费线以及电能质量控制等方面电能质量控制等方面传送功率等级从传送功率等级从几瓦到数千兆瓦几瓦到数千兆瓦在电能的发电、传输、配在电能的发电、传输、配电、及终端用户等环节起电、及终端用户等环节起着重要的作用着重要的作用是信息电子技术开展的继续是信息电子技术开展的继续下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 是电力电子技术开展一个新的阶段是电力电子技术开展一个新的阶段表示了一体化设计的概表示了一体化设计的概念，对于降低本钱、损念，对于降低本钱、损耗、体积和分量都有着耗、体积和

6、分量都有着积极的意义积极的意义 减少工程技术人员在减少工程技术人员在运用电力电子技术过运用电力电子技术过程中的设计和制造费程中的设计和制造费用用 将器件驱动和器件本身将器件驱动和器件本身“交融在一同，减小安交融在一同，减小安装本身的体积，极大地加强集成系统的整体可靠装本身的体积，极大地加强集成系统的整体可靠性性电力电电力电子集成子集成下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 电电力力电电子子技技术术的的市市场场取取决决于于它它的的本本钱钱、可可靠靠性性，以及它在电力运用中所展现的新技术的有效性。以及它在

7、电力运用中所展现的新技术的有效性。 电电力力电电子子本本钱钱的的中中心心是是功功率率器器件件的的特特性性，特特别别是是它的导通损耗、关断损耗和开关速度。它的导通损耗、关断损耗和开关速度。 l电力电电力电子技术子技术 根据电力电子器件的特性、采根据电力电子器件的特性、采用一种有效的静态变换和控制用一种有效的静态变换和控制方法，将一种电能方式转换为方法，将一种电能方式转换为另一种电能方式的技术。另一种电能方式的技术。 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 到到达达体体积积小小、分分量量轻轻、损损耗耗低低

8、、效效果果好好的的目目的的，并并能能实实现现高高效效、可可靠靠、适适用的控制。用的控制。 电气和电子器件的有效运用电气和电子器件的有效运用线性与非线性电路的实际分析线性与非线性电路的实际分析控制实际的运用控制实际的运用成熟设计方法的运用成熟设计方法的运用配合运用先进的分析工具配合运用先进的分析工具研讨其控制系统的性能研讨其控制系统的性能方法方法目的目的下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 尤其是当这些器件在功率变换电路中作为关键尤其是当这些器件在功率变换电路中作为关键部件接通或者中断电流时要特别留意

9、。部件接通或者中断电流时要特别留意。l高可靠性高可靠性不运用像发热电子管以及电不运用像发热电子管以及电解电容器等等这些时限很短解电容器等等这些时限很短的器件。的器件。l高适用性高适用性防止运用需求周期性维护或防止运用需求周期性维护或交换的旋转器件交换的旋转器件 。下 页上 页返 回1.2 电力电子的主要运用方式电力电子的主要运用方式 第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 电力电子电力电子设备的主设备的主要目的要目的处置电气意义上的功率。处置电气意义上的功率。 控控制制交交流流或或直直流流电电源源与与一一个个或或者者多

10、多个个需需求求此此交交流流或或直直流流电电源源负负载载之之间间的的功功率传输率传输 。 传输功率的大小由与变流器终端相连的负载大传输功率的大小由与变流器终端相连的负载大小确定小确定 。功能功能下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 电能转换方式的电能转换方式的分类分类AC/DC变换变换把交流电压变换成固定或把交流电压变换成固定或可调的直流电压。可调的直流电压。 l整流整流 l AC/DC AC/DC变变换换l整流器整流器 把交流电压变换成固定或可把交流电压变换成固定或可调的直流电压的安装。调的直流电压

11、的安装。 整流器普通用于如充电、电镀、电解和直流电动机整流器普通用于如充电、电镀、电解和直流电动机的速度调理等场所。的速度调理等场所。 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 DC/AC变换变换把直流电变换成频率可变、把直流电变换成频率可变、电压固定或可调的交流电。电压固定或可调的交流电。 l逆变逆变 l DC/AC DC/AC变变换换l有源逆变有源逆变 DC/AC变换时，交流输变换时，交流输出与电网相连。出与电网相连。 l无源逆变无源逆变 DC/AC变换时，交流输变换时，交流输出直接与负载相连出直接

12、与负载相连 。 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 l变频器变频器 把直流电变换成频率可变、把直流电变换成频率可变、电压固定或可调的交流电电压固定或可调的交流电的安装。的安装。 无源逆变安装的输出可以是恒频恒压无源逆变安装的输出可以是恒频恒压CVCF的的电源或不延续供电电源电源或不延续供电电源UPS，也可是变频输出，也可是变频输出的电源。的电源。 变频器广泛运用于各种变频电源中，如在中频感应变频器广泛运用于各种变频电源中，如在中频感应加热和交流电动机的变频调速等方面的运用。加热和交流电动机的变频调

13、速等方面的运用。下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 AC/AC变换变换将一种频率和幅植固定或变将一种频率和幅植固定或变化的交流电压转换成另一种化的交流电压转换成另一种频率和幅植可调或固定的交频率和幅植可调或固定的交流电压。流电压。 l变频变频器器 l AC/AC AC/AC变变换电路换电路 l周波变周波变流器流器 AC/AC变换电路主要用于交流电动机的变频调速。变换电路主要用于交流电动机的变频调速。 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技

14、术的根本概略电力电子技术的根本概略 DC/DC变换变换将一种幅植固定或变化的直将一种幅植固定或变化的直流电压变换成幅植可调或恒流电压变换成幅植可调或恒定的另一个电压等级的直流定的另一个电压等级的直流电压。电压。 l直流斩直流斩波波 l DC/DC DC/DC变变换换l斩波器斩波器 将一种幅植固定或变化的直流电将一种幅植固定或变化的直流电压变换成幅植可调或恒定的另一压变换成幅植可调或恒定的另一个电压等级的直流电压的安装。个电压等级的直流电压的安装。 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 l脉宽调制脉宽

15、调制变流器变流器 l斩波斩波器器 斩波器主要用于直流电压变换、开关电源、电车、斩波器主要用于直流电压变换、开关电源、电车、地铁、矿车等电力机车上所用的直流电动机的牵引，地铁、矿车等电力机车上所用的直流电动机的牵引，以及计算机、通讯和各类仪器仪表的电源等场所。以及计算机、通讯和各类仪器仪表的电源等场所。 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 电力电子技术迅电力电子技术迅速开展，与全球速开展，与全球能源、环境等问能源、环境等问题息息相关题息息相关利用电力电利用电力电子技术可以子技术可以有效地节约有效地节

16、约能源能源1.3 电力电子技术的开展历史电力电子技术的开展历史下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 年份年份20001990198019701957194719301904史前期史前期晶体管晶体管诞生诞生全控型器件迅全控型器件迅速开展期速开展期IGBT出现智出现智能功率模块能功率模块晶闸管时代晶闸管时代水银汞弧水银汞弧整流器时代整流器时代电子管问世电子管问世晶闸管晶闸管问世问世下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的

17、根本概略 电力电子技术的电力电子技术的开场是以开场是以1957年年第一个晶闸管的第一个晶闸管的诞生为标志诞生为标志在晶闸管出在晶闸管出现之前，电现之前，电力电子技术力电子技术曾经用于电曾经用于电力变换力变换 硒整流硒整流器器电子管电子管水银整流水银整流器器闸流闸流管管下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 晶体管的发晶体管的发明引发了电明引发了电子技术的革子技术的革命命锗功率二锗功率二极管极管硅二极硅二极管管晶闸晶闸管管下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根

18、本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 工业技术的迅速开展推进了晶闸管的提高。工业技术的迅速开展推进了晶闸管的提高。电力电子技术的概念和根底由于晶闸管及晶闸管电力电子技术的概念和根底由于晶闸管及晶闸管变流技术的开展而逐渐建立起来。变流技术的开展而逐渐建立起来。在电力系统的无功补偿、以及在中频加热运用中，在电力系统的无功补偿、以及在中频加热运用中，晶闸管是处置大功率不可短少的器件。晶闸管是处置大功率不可短少的器件。晶闸管在高压直流输电中的换流器、静止相控无晶闸管在高压直流输电中的换流器、静止相控无功补偿器、周波变流器、负载换流逆变器等设备中功补偿器、周波变流器、负载换流逆变器等设备中

19、仍大量运用。仍大量运用。下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 半导体半导体器件的器件的开展开展 变流器变流器的拓朴的拓朴构造构造PWM技术技术仿真分仿真分析方法析方法控制和控制和估算技估算技术术计算机计算机数字信号数字信号处置处置集成芯片集成芯片硬件和硬件和软件控软件控制制电力电子电力电子提高提高 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 快速晶闸管快速晶闸管FST 逆导晶闸管逆导晶闸管RCT 双向晶闸管双向

20、晶闸管TRIAC 光控晶闸管光控晶闸管LTT 晶闸管晶闸管的派生的派生器件器件推进各种电力变流器在冶金、电化学、电推进各种电力变流器在冶金、电化学、电力工业、交通及矿山等行业中的运用，促力工业、交通及矿山等行业中的运用，促进了工业技术的提高。进了工业技术的提高。第一代第一代电力电电力电子器件子器件下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 妨碍晶闸管开妨碍晶闸管开展的缘由展的缘由关断晶闸管时须采用强迫换流电路。添加的换流关断晶闸管时须采用强迫换流电路。添加的换流电路使电路复杂、体积增大、分量添加、效率降电

21、路使电路复杂、体积增大、分量添加、效率降低，从而导致可靠性下降；低，从而导致可靠性下降；晶闸管只能在接受正向电压过程中，经过对门极施晶闸管只能在接受正向电压过程中，经过对门极施加一个触发脉冲才干使其导通，不能经过脉冲的控加一个触发脉冲才干使其导通，不能经过脉冲的控制使其关断，属于半控型器件。制使其关断，属于半控型器件。 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 由于晶闸管不能经过控制实现关断，因此它的由于晶闸管不能经过控制实现关断，因此它的开关频率难以提高，最高也不会超越开关频率难以提高，最高也不会超越

22、400Hz，这样大大限制了它的运用范围；这样大大限制了它的运用范围；由于晶闸管相位控制方式对电网及负载产生严由于晶闸管相位控制方式对电网及负载产生严重的谐波，这不但会降低电路的功率因数，而重的谐波，这不但会降低电路的功率因数，而且还会对电网呵斥谐波污染的且还会对电网呵斥谐波污染的“公害。公害。下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO 双极型电力晶体管双极型电力晶体管GTR 电力场效应晶体管电力场效应晶体管Power MOSFET 自关断自关断的全控的全控型器件型器

23、件 经过对门极基极、栅极的控制既可使经过对门极基极、栅极的控制既可使其开通，又可使其关断。这些器件的开关其开通，又可使其关断。这些器件的开关速度高于晶闸管，可以用于开关频率较高速度高于晶闸管，可以用于开关频率较高的场所。的场所。第二代第二代电力电电力电子器件子器件下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 aGTO的关断功率损耗较大，须运用开关吸收电路，的关断功率损耗较大，须运用开关吸收电路，以减小以减小dv/dt，在实践运用中遭到一定的限制。，在实践运用中遭到一定的限制。aGTO的普通容量为的普通容量为

24、6KV/4KA。a实践运用中，实践运用中，GTO的触发功率很大，关断时要耗的触发功率很大，关断时要耗费其导通功率的费其导通功率的20%左右，限制了它的开关频率。左右，限制了它的开关频率。a在在GTO变流器的吸收和驱动电路设计应思索其特变流器的吸收和驱动电路设计应思索其特殊性。殊性。门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO )下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 大功率达林顿双极结型晶体管大功率达林顿双极结型晶体管BJT，由于它的驱，由于它的驱动损耗大，以及可靠性差，现已由大功率场效应晶动损耗大，以及

25、可靠性差，现已由大功率场效应晶体管体管MOSFET低压范围内和绝缘栅双极型晶体低压范围内和绝缘栅双极型晶体管管IGBT所取代。所取代。MOSFET是多数载流子传导器件，它的导通压降是多数载流子传导器件，它的导通压降较高，开关损耗并不是太大，且电压等级不能做较高，开关损耗并不是太大，且电压等级不能做得太高，它普通只运用于低压、高频电路中。得太高，它普通只运用于低压、高频电路中。下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 静电感应式晶体管静电感应式晶体管SIT 静电感应式晶闸管静电感应式晶闸管SITH MOS

26、晶闸管晶闸管MCT 功率半功率半导体器导体器件件这些器件具有很高的开关频率，可以接受这些器件具有很高的开关频率，可以接受更高的电压，并允许更大的导通电流，这更高的电压，并允许更大的导通电流，这种类型的大功率开关器件在构成高频大功种类型的大功率开关器件在构成高频大功率变流器中具有特别的优势。率变流器中具有特别的优势。 第三代复第三代复合型场控合型场控半导体器半导体器件件 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管IGBT IGBT的开关频率比的开关频率比BJT高很多，在

27、正向偏置平安高很多，在正向偏置平安任务区内可以不需求吸收电路，这种模块的额定容任务区内可以不需求吸收电路，这种模块的额定容量在量在20世纪世纪90年代就已到达了年代就已到达了3500V/1200A，它的电，它的电气特性还在不断完善。气特性还在不断完善。 IGBT在许多中、大功率的变流设备中得到了广泛在许多中、大功率的变流设备中得到了广泛运用，直到如今，它仍是主要的功率开关器件。运用，直到如今，它仍是主要的功率开关器件。下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 IGBT的智能模块的智能模块IPM是将内置门

28、极驱动及热是将内置门极驱动及热维护等功能集于一体的集成模块，它可以控制和维维护等功能集于一体的集成模块，它可以控制和维护几百千瓦的负载，用于中小功率的变流设备中。护几百千瓦的负载，用于中小功率的变流设备中。 具有沟槽栅技术的现代具有沟槽栅技术的现代IGBT模块比二极管的导通模块比二极管的导通压降稍高一点，但它具有更快的开关速度。压降稍高一点，但它具有更快的开关速度。近期开展起来的新型大功率半导体器件近期开展起来的新型大功率半导体器件3.3kV、4.5kV、6.5kV的的IGBT改良了变流电路的设计，在三改良了变流电路的设计，在三电平拓扑构造中广泛采用，迅速添加了电平拓扑构造中广泛采用，迅速添加

29、了PWM型可控型可控电压源变流器所占的市场份额。电压源变流器所占的市场份额。下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 PWM可控可控VCS电压源型变流器电压源型变流器的优势在于，可以降低线路中的谐的优势在于，可以降低线路中的谐波含量，提高功率因数，并有效降波含量，提高功率因数，并有效降低了滤波器的容量和体积，提高了低了滤波器的容量和体积，提高了系统的效率，从而降低在冶炼、船系统的效率，从而降低在冶炼、船舶、采矿、电解和高压直流输电等舶、采矿、电解和高压直流输电等行业中的能耗。行业中的能耗。 下 页上 页

30、返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 MCTMCT是另一种是另一种MOS门极驱动安装，它的触发电路门极驱动安装，它的触发电路比起比起GTO简单得多，所需的开关能量和简单得多，所需的开关能量和MOSFET或或IGBT差不多，关断时不需求像差不多，关断时不需求像GTO那样大的反向门那样大的反向门控电流，在一样功率等级的条件下，导通压降比控电流，在一样功率等级的条件下，导通压降比IGBT小，其开关速度也比较高。小，其开关速度也比较高。但无论是电压等级还是功率等级都不能与但无论是电压等级还是功率等级都不能与GTO和和I

31、GBT媲美。媲美。MCT模块在软开关变流器中运用。模块在软开关变流器中运用。下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 GCT的主的主要特点要特点阴极关断电流全部从门极流出，关断增益为阴极关断电流全部从门极流出，关断增益为1，并，并能在小于能在小于1ms的时间内均匀流出。的时间内均匀流出。由于采用很薄的由于采用很薄的n+缓冲层构造，使缓冲层构造，使GCT器件的通器件的通态压降很低，因此通态损耗较小。态压降很低，因此通态损耗较小。该器件采用该器件采用ABB公司的特殊低电感外壳设计，有效公司的特殊低电感外壳设

32、计，有效减小了门极驱动电路的等效电感，大大提高减小了门极驱动电路的等效电感，大大提高diGQ/dt约约3kA/ms。该器件的存储时间短，关。该器件的存储时间短，关断均匀，易于串联运用。断均匀，易于串联运用。下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 GCT的硅片中同时集成了功率二极管，减少了的硅片中同时集成了功率二极管，减少了硬件电路的电缆连线，并使设计更为紧凑。硬件电路的电缆连线，并使设计更为紧凑。允许较高的开关频率，而且通态和关断损耗均允许较高的开关频率，而且通态和关断损耗均较低。但在较低。但在GCT

33、的运用过程中，其控制功能还的运用过程中，其控制功能还不够完善，仍需求较大的驱动功率，开关控制不够完善，仍需求较大的驱动功率，开关控制电路的设计较复杂，因此必需另外添加外部触电路的设计较复杂，因此必需另外添加外部触发控制电路。发控制电路。 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 集成门换流晶闸管集成门换流晶闸管IGCTIGCT相当于开关特性很硬的相当于开关特性很硬的GTO，但它比，但它比GTO具有更多的优势。具有更多的优势。IGCT的导通压降较低，开关速度更高。的导通压降较低，开关速度更高。IGCT带有

34、旁路二极管的单片集成电路，不需对吸带有旁路二极管的单片集成电路，不需对吸收电路进展特别的设计，甚至可以不用吸收电路。收电路进展特别的设计，甚至可以不用吸收电路。IGCT容易实现延续运转，延续运转的有效性和元容易实现延续运转，延续运转的有效性和元器件的易改换性对工业实践运转非常有利。器件的易改换性对工业实践运转非常有利。下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 IGCT已广泛用于大型电力机车牵引、大功率高压已广泛用于大型电力机车牵引、大功率高压变频器等设备之中。变频器等设备之中。在牵引和工业领域中，以在牵

35、引和工业领域中，以IGCT或或IGBT作为开关器作为开关器件的件的PWM型型VSC，正在迅速取代普通，正在迅速取代普通GTO作为开关作为开关器件的器件的VSC和电流源型变流器和电流源型变流器CSC。IGCT将功率处置模块将功率处置模块GCT与控制电路集成在与控制电路集成在一个封装构造内。一个封装构造内。 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 1 IGCT可任务在中等电压等级、能关断可任务在中等电压等级、能关断10MW功率的硅资料开关元件。功率的硅资料开关元件。 IGCT将功率处置单元将功率处置单元G

36、CT和控制电路集成在一个封装内，这样更易于和控制电路集成在一个封装内，这样更易于控制，可有效降低开关元件的本钱。控制，可有效降低开关元件的本钱。 2 在一样运转功率的条件下，在一样运转功率的条件下，IGCT比比GTO和和IGBT的开关频率更高，开关损耗更低。在中等电压的开关频率更高，开关损耗更低。在中等电压等级下控制一样的兆瓦级功率，并保证一样效率和等级下控制一样的兆瓦级功率，并保证一样效率和可靠性的前提下，它的封装尺寸更小，费用更低。可靠性的前提下，它的封装尺寸更小，费用更低。下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电

37、子技术的根本概略 3 在高频任务条件下，假设采用在高频任务条件下，假设采用IGCT来实现逆来实现逆变器时，可将逆变器的元件数量减少变器时，可将逆变器的元件数量减少50%，因此可，因此可节省约节省约30%的能量。这种开关元件的典型电压运用的能量。这种开关元件的典型电压运用等级有：等级有：2.3, 4.16和和6.9kV。这可保证它能直接用于。这可保证它能直接用于工业电机，电力机车牵引，轮船推进，流水线等大工业电机，电力机车牵引，轮船推进，流水线等大功率运用场所。功率运用场所。下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术

38、的根本概略 4 IGCT是对是对GTO和和IGBT的改良和提高。的改良和提高。GTO需求复杂的外围电路，以保证可靠的任务，任务需求复杂的外围电路，以保证可靠的任务，任务频率也低；频率也低；IGBT在中等电压等级运用时，损耗添在中等电压等级运用时，损耗添加。在大功率运用时，需求较多的元件组成模块。加。在大功率运用时，需求较多的元件组成模块。IGCT那么抑制了那么抑制了GTO和和IGBT设计中内在的开关设计中内在的开关技术缺陷。技术缺陷。5 IGCT技术是一个高速的技术飞跃，它的开关特技术是一个高速的技术飞跃，它的开关特性相当于性相当于IGBT，而导通才干那么相当于，而导通才干那么相当于GTO，但

39、，但IGCT减少了本钱和外围器件。减少了本钱和外围器件。 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 GTO晶闸管晶闸管 高压高压IGBT模块模块 IGCT的性能的性能 开开关关技技术术 可靠性高可靠性高构造紧凑构造紧凑 高频开关特性高频开关特性低开关损耗低开关损耗无需吸收器无需吸收器集成门驱动集成门驱动 高频开关特性高频开关特性低开关和通态损耗低开关和通态损耗无需吸收器无需吸收器可用于大多数的电压等级可用于大多数的电压等级 功功率率电电路路 不发生灾难不发生灾难性的事故性的事故 低压时，元件低压时，元件

40、数较少数较少低压时，适宜低压时，适宜并联和级联并联和级联 不发生灾难性的事故不发生灾难性的事故可靠性高可靠性高集成了二极管和门控单元集成了二极管和门控单元适宜于并联和级联适宜于并联和级联 器件器件设计设计 对各种电压对各种电压等级都有效等级都有效低通态损耗低通态损耗 模块设计模块设计 允许紧凑和模块化设计允许紧凑和模块化设计减少电缆互连线减少电缆互连线 表表1.1 典型开关元件的特性归纳典型开关元件的特性归纳下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 6 GTO是将数千个别分开关元件集成在一个硅片是将数千

41、个别分开关元件集成在一个硅片上。由于它们可以在交流电流周期中的恣意点上进上。由于它们可以在交流电流周期中的恣意点上进展开关操作，因此在展开关操作，因此在GTO的四种任务情况下都会产的四种任务情况下都会产生损耗。生损耗。触发导触发导通通导通形导通形状状关断过关断过程程关断形关断形状状下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 在中等电压等级运转时，在中等电压等级运转时，GTO的导通功率损耗很低，的导通功率损耗很低，开关功率损耗还比较合理的。但由于开关功率损耗还比较合理的。但由于GTO的非齐性的非齐性顺序的，

42、而不是同时的开关特性，在关断时，顺序的，而不是同时的开关特性，在关断时，它需求额外添加一个吸收电路，这个吸收电路占用它需求额外添加一个吸收电路，这个吸收电路占用了器件本身一半以上的体积。因此添加了设计的复了器件本身一半以上的体积。因此添加了设计的复杂性和设计本钱，同时也添加了功率损耗。杂性和设计本钱，同时也添加了功率损耗。下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 将功率处置模将功率处置模块块GCT与控制电路集与控制电路集成在一个封装成在一个封装构造内的构造内的 IGCT特点特点GCT功率处置器件和功率处

43、置器件和控制部分一同，可减控制部分一同，可减少少IGCT的通态损耗，的通态损耗，无需吸收电路，并提无需吸收电路，并提供了可靠的开关单元。供了可靠的开关单元。封装好的封装好的GCT可可自在挪动，不会自在挪动，不会出现功能丧失景出现功能丧失景象。象。集成门驱动电路集成门驱动电路可减少杂散电感，可减少杂散电感，使设计简化。使设计简化。 IGCT易于进展电气易于进展电气设计和机械设计，设计和机械设计，出现缺点时易于改出现缺点时易于改换。换。 7每个每个/一切的一切的IGCT元件在三个方面对中等电压等级元件在三个方面对中等电压等级的控制运转具有改善作用的控制运转具有改善作用下 页上 页返 回第一章第一章

44、第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 8S适宜的开关速度。适宜的开关速度。S在满额定电流运转的情况下，在满额定电流运转的情况下，IGCT的开关速度可的开关速度可到达到达1kHz，几乎为，几乎为GTO元件的四倍。元件的四倍。S紧凑的逆变器设计和高可靠性。紧凑的逆变器设计和高可靠性。S在交流电器运转时所需的大部分的二极管都集成在在交流电器运转时所需的大部分的二极管都集成在GCT构造中。构造中。下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 b在一样

45、运转功率的条件下，在一样运转功率的条件下，IGCT比比GTO和和IGBT的的开关频率更高，而且开关损耗更低。开关频率更高，而且开关损耗更低。b在中等电压等级下控制一样的兆瓦级功率，并保证在中等电压等级下控制一样的兆瓦级功率，并保证一样效率和可靠性的前提下，一样效率和可靠性的前提下， IGCT比比GTO和和IGBT的封装尺寸更小，费用更低。的封装尺寸更小，费用更低。bIGBT在中等电压等级运用时，损耗添加。在大功在中等电压等级运用时，损耗添加。在大功率运用时，需求较多的元件组成模块。率运用时，需求较多的元件组成模块。较较比比下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电

46、子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 bIGCT的开关特性相当于的开关特性相当于IGBT，而导通才干那么，而导通才干那么相当于相当于GTO，但，但IGCT减少了本钱和外围器件。减少了本钱和外围器件。bGTO将数千个别分开关元件集成在一个硅片上，将数千个别分开关元件集成在一个硅片上， GTO在触发导通，导通形状，关断过程，关断形在触发导通，导通形状，关断过程，关断形状都会产生损耗。状都会产生损耗。b在中等电压等级运转时，在中等电压等级运转时，GTO的导通功率损耗很的导通功率损耗很低，开关功率损耗比较合理。低，开关功率损耗比较合理。下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章

47、 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 b关断时，关断时，GTO需求额外添加一个吸收电路，添加需求额外添加一个吸收电路，添加了设计的复杂性和设计本钱和功率损耗。了设计的复杂性和设计本钱和功率损耗。b在满额定电流运转的情况下，在满额定电流运转的情况下，IGCT的开关速度的开关速度可到达可到达1kHz，为，为GTO元件的四倍。元件的四倍。b相控晶闸管、快速晶闸管、门极可关断晶闸管相控晶闸管、快速晶闸管、门极可关断晶闸管GTO、IGCT等都具有擎住构造，其中载流子等都具有擎住构造，其中载流子从阳极和阴极注入。从阳极和阴极注入。b普通晶闸管不能自行关

48、断。普通晶闸管不能自行关断。 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 双向控制晶闸管双向控制晶闸管BCT是由在一个晶片上的两个是由在一个晶片上的两个反并联晶闸管组成，两个反并联晶闸管组成，两个门极相互独立门极相互独立,这样能最大这样能最大限制地保管大功率变流器限制地保管大功率变流器的钳位、内部构成和设计的钳位、内部构成和设计技术等特性。技术等特性。 光触发晶闸管光触发晶闸管Light triggered thyristor的开展，极大地简化的开展，极大地简化了门极控制，提高了了门极控制，提高了晶闸管运

49、用在大功率、晶闸管运用在大功率、高电压中的可靠性。高电压中的可靠性。下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 电力电子器件电力电子器件的前景的前景P近近10多年来，电力电子器件已向模块化、智能化的多年来，电力电子器件已向模块化、智能化的方向开展，它使得电力电子器件的运用变得更加简单方向开展，它使得电力电子器件的运用变得更加简单易行，有效地减少了设备的体积、添加了系统运转的易行，有效地减少了设备的体积、添加了系统运转的可靠性。可靠性。P对终端用户的运用而言，国际上有许多大公司已开对终端用户的运用而言，国际

50、上有许多大公司已开发出了发出了IPM智能功率模块，目前运用最多的依然是智能功率模块，目前运用最多的依然是IGBT智能模块。智能模块。下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 IPMIntelligent Power Module模块把功率开关模块把功率开关器件和驱动电路集成在一同，内藏过电压，过电流和器件和驱动电路集成在一同，内藏过电压，过电流和过热等缺点检测电路，可将检测信号送到过热等缺点检测电路，可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动

51、电路以及快速维护电路构成。即使发生负载事故或运用不当，快速维护电路构成。即使发生负载事故或运用不当，也可以保证也可以保证IPM本身不受损坏。本身不受损坏。IPM普通运用普通运用IGBT作为功率开关元件，内藏电流传作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成构造。感器及驱动电路的集成构造。智能功率模块智能功率模块 IPM 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 IPM以其高可靠性，运用方便博得越来越大的市场，以其高可靠性，运用方便博得越来越大的市场，尤其适宜于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变尤其

52、适宜于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种非常理想的电力电子器件。的一种非常理想的电力电子器件。从配电系统的运用来看，模块的电压普通有从配电系统的运用来看，模块的电压普通有1200V和和1700V两个等级，额定电流为两个等级，额定电流为50250A。肖特基二极管肖特基二极管快快 恢复二极管恢复二极管双分散二极管双分散二极管下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 MOSFET肖特基二极管肖特基二极管JBS二

53、极管二极管PIN二极管二极管MCTP型型N型型MTO相控晶闸管相控晶闸管高速晶闸管高速晶闸管反导游通型反导游通型不对称型不对称型对称型对称型GTO对称型对称型不对称型不对称型反导游通型反导游通型IGCT反导游通型反导游通型不对称型不对称型普通型普通型NPN双极结晶体管双极结晶体管BJTPNPMOSFETN-沟道加强型沟道加强型常规普通型常规普通型S-FETCool-MOSP-沟道加强型沟道加强型IGBTNPT高速高速低压降低压降PT晶闸管晶闸管晶体管晶体管二极管二极管碳化硅碳化硅硅资料硅资料功率电力电子器件功率电力电子器件二极管二极管晶体管晶体管市场市场占有占有量较量较小小实验实验室阶室阶段段

54、电力电电力电子器件子器件的分类的分类及其派及其派生系列生系列下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 在高压、高温、高频以及低导通压降场所运用在高压、高温、高频以及低导通压降场所运用 功率范围大功率范围大击穿场强高击穿场强高导热性高导热性高饱和电子漂移速率高饱和电子漂移速率高对化学反响或高对化学反响或高气压呈高惰性气压呈高惰性辐射电阻高辐射电阻高碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略

55、碳化硅可以极大地降低通态和开关损耗，结温上升碳化硅可以极大地降低通态和开关损耗，结温上升到到600时也能运转。时也能运转。碳化硅资料的肖特基和结势垒肖特基碳化硅资料的肖特基和结势垒肖特基JBS二极二极管的阻断电压已到达管的阻断电压已到达2kV。 PIN二极管到达二极管到达5kV。 碳化硅二极管可以大大减少二极管的关断损耗和开碳化硅二极管可以大大减少二极管的关断损耗和开通损耗。通损耗。利用碳化硅反向二极管对利用碳化硅反向二极管对IGBT模块进展改良。模块进展改良。碳化硅的运用碳化硅的运用前景前景下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的

56、根本概略电力电子技术的根本概略 现代电现代电力电子力电子技术主技术主要特点要特点全控全控化化 集成集成化化 高频高频化化 高效率高效率化化 小型小型化化 绿色化绿色化 新型化新型化 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 全控全控化化 由半控型普通晶闸管开展到各类自由半控型普通晶闸管开展到各类自关断器件，是电力电子器件在功能上的艰苦突破。关断器件，是电力电子器件在功能上的艰苦突破。在自关断器件实现全控化后，就可以取消传统电力在自关断器件实现全控化后，就可以取消传统电力电子器件的复杂换流电路，使电路大为

57、简化。电子器件的复杂换流电路，使电路大为简化。集成集成化化 与传统电力电子器件的分立方式完与传统电力电子器件的分立方式完全不同，一切的全控型器件都是由许多单元器件并全不同，一切的全控型器件都是由许多单元器件并接在一同，并集成在一个基片上。接在一同，并集成在一个基片上。 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 指随着器件集成化后的高频化，它指随着器件集成化后的高频化，它能有效提高整体集成器件的任务速度。能有效提高整体集成器件的任务速度。高频高频化化 高效率高效率化化 表达在器件本身和器件换流技术表达在器

58、件本身和器件换流技术这两个方面。由于电力电子器件的导通压降不断减这两个方面。由于电力电子器件的导通压降不断减少，降低了导通损耗；器件开关的上升和下降过程少，降低了导通损耗；器件开关的上升和下降过程加快，也将低了开关损耗。器件处于合理的运转形加快，也将低了开关损耗。器件处于合理的运转形状，提高了运转效率；变流器中采用软开关技术，状，提高了运转效率；变流器中采用软开关技术，使得运转效率得到进一步提高。使得运转效率得到进一步提高。 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 小型化小型化 指随着器件的高频化和集

59、成化后，指随着器件的高频化和集成化后，控制电路的高度集成化和微型化，使得滤波电路和控制电路的高度集成化和微型化，使得滤波电路和控制器的体积大大减小。电力电子器件的多单元集控制器的体积大大减小。电力电子器件的多单元集成化，减少了主电路的体积。再加上控制器和功率成化，减少了主电路的体积。再加上控制器和功率半导体器件等采用微型化的外表粘贴技术，使得变半导体器件等采用微型化的外表粘贴技术，使得变流器的体积得到了进一步的减小。流器的体积得到了进一步的减小。 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 绿色化绿色化

60、电力电子技术中广泛采用电力电子技术中广泛采用PWM脉脉宽调制技术、宽调制技术、SPWM正弦波脉宽调制和消除特定的正弦波脉宽调制和消除特定的次谐波技术、多重化技术等，使变流器的谐波大为次谐波技术、多重化技术等，使变流器的谐波大为降低，同时也使得变流器的功率因数得到提高，进降低，同时也使得变流器的功率因数得到提高，进而使电源绿色化。静止无功发生器而使电源绿色化。静止无功发生器SVG、有源、有源电力滤波器等新型电力电子安装，具有优越的无功电力滤波器等新型电力电子安装，具有优越的无功功率调和波补偿的性能，因此大大提高电网的供电功率调和波补偿的性能，因此大大提高电网的供电质量。质量。下 页上 页返 回第

61、一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 近年来，新型半导体资料的研讨近年来，新型半导体资料的研讨正在获得不断的突破，碳化硅、金刚石等资料用于正在获得不断的突破，碳化硅、金刚石等资料用于电力电子器件，特别是金刚石器件与硅器件相比，电力电子器件，特别是金刚石器件与硅器件相比，功率可提高功率可提高106个数量级，频率可提高个数量级，频率可提高50倍，导通倍，导通压降降低一个数量级，最高结温可达压降降低一个数量级，最高结温可达600。新型化新型化 下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根

62、本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 1.4 电力电子技术的开展方向电力电子技术的开展方向和前景和前景 新资料的进一步研讨和运用，扩展了器件的频率、新资料的进一步研讨和运用，扩展了器件的频率、功率等级、运用温度范围，减少器件的体积和降低功率等级、运用温度范围，减少器件的体积和降低价钱。因此，可以大大改良系统性能和降低本钱，价钱。因此，可以大大改良系统性能和降低本钱，使它的运用范围越来越广。使它的运用范围越来越广。改良器件和封装方式，实现系统集成，以获得更高改良器件和封装方式，实现系统集成，以获得更高的集成化和可靠性。的集成化和可靠性。下 页上 页返 回第一章第一章第一章第一章 电

63、力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 运用无需吸收电路且关断延时小的集成门极换流晶运用无需吸收电路且关断延时小的集成门极换流晶闸管闸管IGCT，使得电力电子器件在大功率运用，使得电力电子器件在大功率运用可靠性大为加强，并使运用变得越来越容易。可靠性大为加强，并使运用变得越来越容易。多电平逆变器在大功率逆变器中的运用。多电平逆变器在大功率逆变器中的运用。体积小、分量轻、损耗小的变流系统的设计。体积小、分量轻、损耗小的变流系统的设计。采用神经网络和模糊控制逻辑芯片的无速度传感器采用神经网络和模糊控制逻辑芯片的无速度传感器的控制的传动系统。的控制的传

64、动系统。采用专家系统获得优化的实时性和系统容错控制方采用专家系统获得优化的实时性和系统容错控制方面的运用。面的运用。第一章第一章第一章第一章 电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略电力电子技术的根本概略 自主学习与自顺应调理控制器在传动系统中的运用。自主学习与自顺应调理控制器在传动系统中的运用。改善动力系统的供电质量，柔性交流输电技术将得改善动力系统的供电质量，柔性交流输电技术将得到越来越广泛的运用。到越来越广泛的运用。电力电子技术是目前开展较为迅速的一门学科，是电力电子技术是目前开展较为迅速的一门学科，是高新技术产业开展的主要根底技术之一，是传统产高新技术产业开展的主要根底技术之一，是传统产业改造的重要手段。随着各学科新实际、新技术的业改造的重要手段。随着各学科新实际、新技术的开展，电力电子技术的应器具有非常广泛的前景。开展，电力电子技术的应器具有非常广泛的前景。上 页返 回