电力电子器件PPT课件
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电力电子技术概述PPT课件
电力电子技术概述PPT课件•电力电子技术基本概念•电力电子器件•电力电子变换技术•电力电子系统分析与设计•典型应用案例剖析•发展趋势与挑战01电力电子技术基本概念它涉及到电力、电子、控制等多个领域，是现代电力工业的重要组成部分。
电力电子技术的核心是对电能进行高效、可靠、可控的转换，以满足各种用电设备的需求。
电力电子技术是一门研究利用半导体器件对电能进行转换和控制的学科。
电力电子技术定义从早期的整流器、逆变器到现在的高频开关电源、智能电网等，电力电子技术经历了多个发展阶段。
发展历程目前，电力电子技术已经广泛应用于工业、交通、通信、家电等各个领域，成为现代社会不可或缺的一部分。
现状随着新能源、智能电网等技术的不断发展，电力电子技术的应用前景将更加广阔。
未来趋势发展历程及现状工业领域电机驱动、电力系统自动化、工业加热等。
电动汽车、高速铁路、航空航天等。
通信电源、数据中心、云计算等。
变频空调、LED照明、智能家居等。
随着新能源技术的不断发展，电力电子技术在太阳能、风能等领域的应用将更加广泛；同时，智能电网的建设也将为电力电子技术的发展提供新的机遇。
交通领域家电领域前景展望通信领域应用领域与前景02电力电子器件电力二极管（Power Diode）结构简单，工作可靠导通和关断不可控主要用于整流电路晶闸管（Thyristor）四层半导体结构，三个电极导通可控，关断不可控主要用于相控整流电路可关断晶闸管（GTO）通过门极负脉冲可使其关断关断时间较长，需要较大的关断电流主要用于大容量场合电力晶体管（GTR）电流驱动的双极型晶体管导通和关断可控，但驱动电路复杂主要用于中等容量场合电力场效应晶体管（Power MOSFET ）电压驱动的单极型晶体管导通电阻小，开关速度快01主要用于中小容量场合02绝缘栅双极型晶体管（IGBT）03结合了MOSFET和GTR的优点01电压驱动，大电流容量，快速开关02目前应用最广泛的电力电子器件之一03电力电子变换技术整流电路的作用整流电路的分类整流电路的工作原理整流电路的应用将交流电转换为直流电。
电力电子技术(完整幻灯片PPT
1-3
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗 通态损耗
主要损耗 断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
通态损耗是器件功率损耗的主要成因。
器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
1-4
2.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路
恢复特性的软度：下降时间与
延复迟系时数间，用的S比r表值示tf。/td，或称恢uFFra bibliotek2V0
b) tfr
t
图2-6 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置
b) 零偏置转换为正向偏置
1-17
2.2.2 电力二极管的基本特性
关断过程
IF
diF
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
A
G
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
外形有螺栓型和平板型两种封装。
四层三结三极。
螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧 密联接且安装方便。
平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
电力电子技术(完整幻灯片 PPT
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2.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗 通态损耗
主要损耗 断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
通态损耗是器件功率损耗的主要成因。
器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
1-4
2.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路
恢复特性的软度：下降时间与
延复迟系时数间，用的S比r表值示tf。/td，或称恢uFFra bibliotek2V0
b) tfr
t
图2-6 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置
b) 零偏置转换为正向偏置
1-17
2.2.2 电力二极管的基本特性
关断过程
IF
diF
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
A
G
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
外形有螺栓型和平板型两种封装。
四层三结三极。
螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧 密联接且安装方便。
平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
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(2024年)电力电子技术完整版全套PPT电子课件
实验报告撰写与答辩
讲解实验报告的撰写要求和答辩技巧 ，提高学生的综合素质和能力。
36
08
电力电子技术应用案例
2024/3/26
37
新能源发电系统中电力电子技术应用
光伏发电系统
最大功率点跟踪（MPPT ）技术、逆变器并网技术 、孤岛检测与保护技术等 。
2024/3/26
风力发电系统
变桨距控制技术、变速恒 频技术、直驱式永磁风力 发电技术等。
2024/3/26
13
可控整流电路分析与应用
可控整流电路原理
可控整流电路通过控制触发角α的大小，实现对输出电压的调 节。
2024/3/26
可控整流电路应用
可控整流电路广泛应用于直流调速、电力拖动、电解、电镀 等领域。
14
滤波电路原理与设计方法
滤波电路原理
滤波电路是利用电容、电感等元件对交流电的频率特性进行滤波，从而得到平 滑的直流电的电路。
高性能器件选择
选用高性能的功率器件和驱动电路，提高电路的工作频率和可靠性。例如，选用低导通电阻和低栅极电荷的 MOSFET可以降低电路的导通损耗和开关损耗；选用高耐压和高电流的IGBT可以提高电路的带负载能力等 。
系统优化与热设计
对系统进行全面的优化和热设计，确保电路在高负载、高温等恶劣环境下仍能稳定可靠地工作。例如，采用 合理的散热结构和风扇控制策略可以降低电路的工作温度；采用模块化设计可以提高电路的维修性和可扩展 性等。
2024/3/26
功率场效应晶体管（Power MOSFE…
阐述Power MOSFET和IGBT的结构、特点以及在电力电子电路中的 广泛应用。
11
03
整流与滤波技术
2024/3/26
电力电子器件晶闸管幻灯片PPT
阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流
稍大于两个晶体管漏电流之和。
开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大
以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋 近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
4.2.2 晶闸管的根本特性
晶闸管正常工作时的特性总结如下：
✓ 承受反向电压时，不管门极是否有触发电流，晶 闸管都不会导通。
trr URRM tgr
关断时间tq以上两者之和 tq=trr+tgr 〔1-7)
图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形
4.2.3 晶闸管的主要参数
1〕电压定额
断态重复峰值电压UDRM
—— 在 门 极 断 路 而 结 温 为 额 定值时，允许重复加在器件上的 正向峰值电压。
反向重复峰值电压URRM
使用注意：
电力电子器件晶闸管幻灯 片PPT
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4.1 电力电子器件的概念
２〕同处理信息的电子器件相比的一般特征：
4.2 半控型器件—晶闸管
4.2.1 晶闸管的构造与工作原理 4.2.2 晶闸管的根本特性 4.2.3 晶闸管的主要参数 4.2.4 晶闸管的派生器件
4.2.1 晶闸管的构造与工作原理
晶闸管〔Thyristor〕：晶体闸流管，可控硅整 流器〔Silicon Controlled Rectifier——SCR〕
G KK
A A G
a)Biblioteka AGP1 N1 P2 N2
稍大于两个晶体管漏电流之和。
开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大
以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋 近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
4.2.2 晶闸管的根本特性
晶闸管正常工作时的特性总结如下：
✓ 承受反向电压时，不管门极是否有触发电流，晶 闸管都不会导通。
trr URRM tgr
关断时间tq以上两者之和 tq=trr+tgr 〔1-7)
图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形
4.2.3 晶闸管的主要参数
1〕电压定额
断态重复峰值电压UDRM
—— 在 门 极 断 路 而 结 温 为 额 定值时，允许重复加在器件上的 正向峰值电压。
反向重复峰值电压URRM
使用注意：
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4.1 电力电子器件的概念
２〕同处理信息的电子器件相比的一般特征：
4.2 半控型器件—晶闸管
4.2.1 晶闸管的构造与工作原理 4.2.2 晶闸管的根本特性 4.2.3 晶闸管的主要参数 4.2.4 晶闸管的派生器件
4.2.1 晶闸管的构造与工作原理
晶闸管〔Thyristor〕：晶体闸流管，可控硅整 流器〔Silicon Controlled Rectifier——SCR〕
G KK
A A G
a)Biblioteka AGP1 N1 P2 N2
2024版电力电子技术完整版全套PPT电子课件[2]
![2024版电力电子技术完整版全套PPT电子课件[2]](https://img.taocdn.com/s3/m/33e815cc82d049649b6648d7c1c708a1294a0a12.png)
LTspice
适用于模拟电路和数字电路的仿真，提供多种电力电子器 件模型和虚拟示波器功能。
电力电子技术的实验与仿真案例
整流电路实验与仿真
逆变电路实验与仿真
通过搭建整流电路并对其进行仿真，可以研 究整流器的工作原理、波形分析和性能指标。
利用逆变电路实验和仿真，可以探究逆变器 的调制方式、控制策略和输出特性。
逆变电路
逆变电路的工作原理
01
解释逆变电路的基本工作原理，包括电压型逆变电路和电流型
逆变电路等。
逆变电路的类型
02
详细介绍不同类型的逆变电路，如单相逆变电路、三相逆变电
路和多电平逆变电路等。
逆变电路的应用
03
概述逆变电路在电力电子领域的应用，如不间断电源、变频器
和太阳能发电系统等。
直流-直流变流电路
交通运输应用
电动汽车驱动
电力电子技术在电动汽车 的驱动系统中发挥着重要 作用，实现高效、环保的 驱动方式。
轨道交通牵引
电力电子技术为轨道交通 提供了可靠的牵引系统， 保障列车安全、稳定运行。
飞机电源系统
现代飞机电源系统采用电 力电子技术，为飞机提供 稳定、高效的电力供应。
电力系统应用
高压直流输电
半实物仿真实验
结合实验室搭建电路和虚拟仿真实验，通过接口设备将两者连接起 来，实现实时数据交互和联合仿真。
电力电子技术的仿真工具
MATLAB/Simulin k
提供丰富的电力电子元件库和仿真模型，支持多种控制策 略的实现和性能分析。
PSIM
专注于电力电子系统仿真，具备强大的电路分析功能和丰 富的元件库。
整流电路
整流电路的工作原理
介绍整流电路的基本工作原理，包括 半波整流、全波整流和桥式整流等。
适用于模拟电路和数字电路的仿真，提供多种电力电子器 件模型和虚拟示波器功能。
电力电子技术的实验与仿真案例
整流电路实验与仿真
逆变电路实验与仿真
通过搭建整流电路并对其进行仿真，可以研 究整流器的工作原理、波形分析和性能指标。
利用逆变电路实验和仿真，可以探究逆变器 的调制方式、控制策略和输出特性。
逆变电路
逆变电路的工作原理
01
解释逆变电路的基本工作原理，包括电压型逆变电路和电流型
逆变电路等。
逆变电路的类型
02
详细介绍不同类型的逆变电路，如单相逆变电路、三相逆变电
路和多电平逆变电路等。
逆变电路的应用
03
概述逆变电路在电力电子领域的应用，如不间断电源、变频器
和太阳能发电系统等。
直流-直流变流电路
交通运输应用
电动汽车驱动
电力电子技术在电动汽车 的驱动系统中发挥着重要 作用，实现高效、环保的 驱动方式。
轨道交通牵引
电力电子技术为轨道交通 提供了可靠的牵引系统， 保障列车安全、稳定运行。
飞机电源系统
现代飞机电源系统采用电 力电子技术，为飞机提供 稳定、高效的电力供应。
电力系统应用
高压直流输电
半实物仿真实验
结合实验室搭建电路和虚拟仿真实验，通过接口设备将两者连接起 来，实现实时数据交互和联合仿真。
电力电子技术的仿真工具
MATLAB/Simulin k
提供丰富的电力电子元件库和仿真模型，支持多种控制策 略的实现和性能分析。
PSIM
专注于电力电子系统仿真，具备强大的电路分析功能和丰 富的元件库。
整流电路
整流电路的工作原理
介绍整流电路的基本工作原理，包括 半波整流、全波整流和桥式整流等。
《电力电子》课件
智能控制是一种基于人工智能的控制 方法，其工作原理是通过人工智能算 法实现电力电子设备的智能控制。
数字控制
数字控制是一种现代的控制方法，其 工作原理是通过数字电路和微控制器 实现电力电子设备的控制。
03
电力电子系统设计
系统设计方法
确定系统目标
明确电力电子系统的功能要求，如电压转换、功 率控制等。
电力电子的发展历程
1940年代
1950年代
1960年代
1970年代
1980年代至今
开关管和硅整流器的出 现，开始应用于信号放 大和处理。
晶体管的发明，开始应 用于信号放大和处理以 及无线通信等领域。
可控硅整流器（SCR） 的出现，开始应用于电 机控制和电力系统等领 域。
出现了可关断晶闸管（ GTO）等更加高效的电 力电子器件。
• 高效性：电力电子技术可以实现高效地转换和控制电能，从而提高能源利用效率。 • 灵活性：电力电子器件具有较小的体积和重量，可以方便地集成到各种系统中，实现灵活的电能转换和控制。 • 应用广泛：电力电子技术在能源转换、电机控制、电网管理和可再生能源系统中有着广泛的应用。
电力电子的应用领域
电机控制
电网管理
05
电力电子技术技术
随着电力电子器件性能的不断提 升，电力电子系统的频率逐渐提 高，实现了更高的转换效率和更 小的体积。
高效化技术
为了降低能源消耗和减少环境污 染，电力电子系统正在不断追求 更高的效率。高效化技术包括拓 扑结构优化、控制策略改进等。
电力电子在智能电网中的应用前景
THANK YOU
感谢观看
IGBT是一种广泛应用于电力电子领域的半导体器 件，其工作原理是通过控制栅极电压来调节漏极 和源极之间的电流。
电力电子半导体器件SCR介绍 ppt课件
ppt课件
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ppt课件
22
国产快速晶闸管：KK系列
ppt课件
23
国产高频晶闸管：KG系列
ppt课件
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高频晶闸管的特点： ①工作频率高，di/dt大。 ②关断时间短，最高允许结温下10us左右。 ③短时间内（3us）承受尖峰反向电压高，抗过电压能力强，
dv/dt大。 ④重复阻断电压较低，800—1000V。 ⑤抗直通电流能力差，需配置快速过电流保护环节。
门极开路，额定结温下，允许50次/s，持续时间不大于10ms， 重复施加在阳极上的正向最大脉冲电压。
VDRM ≈ 90% VDSM
ppt课件
12
３．反向不重复峰值电压VRSM
门极开路，加在SCR阳极反向电压上升到反向伏安特性曲线急 剧弯曲处所对应的电压值。不能重复，每次持续时间不大于10ms 的脉冲电压。
28
②换向特性：
两个反并的晶闸管导通、关断相互影响——换向问题。
换向能力是晶闸管的一个特有参数，用换向电流临界下降率
来表示(di/dt)c，为可靠运行，要求双向晶闸管有很强的换向 能力。标准将(di/dt)c分为0.2、0.5、1、2四个等级。 如：200A的器件， 0.2级为(di/dt)c=200× 0.2%= 0.4A/us ③额定通态方均根电流：I T(RMS)
2．正向电流越大，关断时间toff越长；外加反向电压越高，反 向电流越大，关断时间可缩短；结温越高，关断时间越长。
3．关断时，过早施加正向电压，会引起误导通。
ppt课件
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三、参数
（一）电压参数
1．断态不重复峰值电压VDSM 门极开路，加在SCR阳极正向电压上升到正向伏安特性曲线
急剧弯曲处所对应的电压值。不能重复，每次持续时间不大于 10ms的脉冲电压。（转折电压，小于VBO) ２．断态重复峰值电压VDRM
《新型电力电子器件》课件
内部结构
图形符号
❖ 三端三层器件，有两个PN结，分NPN型和PNP型。 ❖ 采用三重扩散台面型结构制成单管形式。结面积 大、电流分布均匀，易散热；但电流增益低。
NPN型晶体管的结构图和图形表示符号
一、双极型器件----GTO、GTR、SITH 1、电力晶体管GTR（巨型晶体管）
+b
一、双极型器件----GTO、GTR、SITH
3、静电感应晶闸管SITH
树脂
N+
阴极
门极
P+
P+
P+
P+ P+
N
N+
P+
N+
阳极
一、双极型器件----GTO、GTR、SITH 3、静电感应晶闸管SITH
A
A
A
G
G
K
K
K
一、双极型器件----GTO、GTR、SITH 3、静电感应晶闸管SITH
➢ 开关速度快，工作频率高 ➢ 正向压降低 ➢ di/dt耐量高 ➢ 工作结温高
总结
1、晶闸管的派生器件 快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管
2、新型电力电子器件 GTR、GTO、SIT、IGBT、MOSFET、SITH、MCT、IGCT
作业： 1-10 1-11 1-13
三、复合型器件----IGBT、MCT、IGCT 1、绝缘栅双极型晶体管IGBT
IC
IC
饱 和 区
0
UGE(th)
UGE
URM 反向阻断区 0
有源区
UGE增加
正向阻断区
UGE(th) UFM UCE
三、复合型器件----IGBT、MCT、IGCT 1、绝缘栅双极型晶体管IGBT
图形符号
❖ 三端三层器件，有两个PN结，分NPN型和PNP型。 ❖ 采用三重扩散台面型结构制成单管形式。结面积 大、电流分布均匀，易散热；但电流增益低。
NPN型晶体管的结构图和图形表示符号
一、双极型器件----GTO、GTR、SITH 1、电力晶体管GTR（巨型晶体管）
+b
一、双极型器件----GTO、GTR、SITH
3、静电感应晶闸管SITH
树脂
N+
阴极
门极
P+
P+
P+
P+ P+
N
N+
P+
N+
阳极
一、双极型器件----GTO、GTR、SITH 3、静电感应晶闸管SITH
A
A
A
G
G
K
K
K
一、双极型器件----GTO、GTR、SITH 3、静电感应晶闸管SITH
➢ 开关速度快，工作频率高 ➢ 正向压降低 ➢ di/dt耐量高 ➢ 工作结温高
总结
1、晶闸管的派生器件 快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管
2、新型电力电子器件 GTR、GTO、SIT、IGBT、MOSFET、SITH、MCT、IGCT
作业： 1-10 1-11 1-13
三、复合型器件----IGBT、MCT、IGCT 1、绝缘栅双极型晶体管IGBT
IC
IC
饱 和 区
0
UGE(th)
UGE
URM 反向阻断区 0
有源区
UGE增加
正向阻断区
UGE(th) UFM UCE
三、复合型器件----IGBT、MCT、IGCT 1、绝缘栅双极型晶体管IGBT
2024版电力电子技术ppt课件
•电力电子技术概述•电力电子器件•整流电路与逆变电路•直流-直流变换器目录•交流-交流变换器•电力电子技术应用实例定义与发展历程定义发展历程应用领域及重要性应用领域重要性提高能源利用效率、实现节能减排、促进可再生能源发展等方面具有不可替代的作用。
基本原理与分类基本原理分类0203PNPN四层半导体结构阳极、阴极和控制极晶闸管的基本结构和工作原理01触发导通和关断过程晶闸管的派生器件快速晶闸管01 02 03电力晶体管（GTR）结构特点和工作原理驱动电路和保护电路电力场效应管（结构特点和工作原理驱动电路和保护电路主要参数和特性曲线01 02 031 2 3010203040102 03整流电路原理整流电路分类整流电路应用逆变电路原理逆变电路分类逆变电路应用030201PWM控制技术PWM控制技术原理通过调节脉冲宽度或频率，实现对输出电压或电流的控制。
PWM控制技术应用电机调速、电源管理、照明控制等。
PWM控制技术优势高效率、高精度、低噪声等。
工作原理电路结构控制方式应用领域电路结构工作原理应用领域控制方式两种，也可采用滞环控制等非线性控制方法。
应用领域应用于需要宽范围电压输出的场合，如太阳能逆变器、不间断电源（UPS ）等。
工作原理通过控制开关管的导通和关断时间，实现输入电压到输出电压的升降压变换。
电路结构升降压型变换器主要由输入滤波电路、开关管、储能元件（如电感或电容）和输出滤波电路组成，与升压型变换器类似，但增加了降压功能。
控制方式可采用PWM 、PFM 或滞环控制等非线性控制方法，实现输出电压的稳定调节。
升降压型变换器工作原理通过控制晶闸管的导通角来调节输出电压的大小。
优点结构简单，控制方便，效率高。
缺点输出电压波形畸变较大，谐波含量高。
应用领域灯光控制、电机软启动等。
工作原理能够实现快速、无级调节负载功率。
优点缺点应用领域01020403电加热、电焊机等。
通过控制晶闸管的通断时间来调节负载功率的大小。
《现代电力电子技术》课件
电力电子技术的未来发展方向
高效化
智能化
未来电力电子技术将更加注重能效的提高 ，不断推动能源转换和利用效率的提升。
随着人工智能和物联网技术的发展，电力 电子技术将更加智能化，能够实现自适应 控制和远程监控等功能。
集成化
绿色化
未来电力电子技术将更加注重集成化设计 ，实现多功能、高集成度的电力电子系统 。
05
CATALOGUE
电力电子技术的挑战与未来发 展
电力电子技术的挑战
01
02
03
技术更新换代快
随着科技的不断进步，电 力电子技术需要不断更新 换代，以满足更高的性能 和效率要求。
节能环保压力
随着能源危机和环境问题 的日益严重，电力电子技 术在节能环保方面面临更 大的压力。
市场竞争激烈
电力电子市场参与者众多 ，竞争激烈，企业需要不 断提升技术水平和产品创 新能力。
详细描述
在DC/DC转换电路中，开关电源的作用是通过控制开关 管的通断时间来调节输出电压的大小。当输入电压通过开 关管时，通过控制开关管的占空比，可以调节输出电压的 大小，从而实现将一种直流电压转换为另一种直流电压。
总结词
DC/DC转换电路的应用
详细描述
DC/DC转换电路广泛应用于各种需要不同电压等级的场 合，如通信设备、计算机、仪器仪表等。通过DC/DC转 换电路，可以将较高或较低的电压转换为所需的稳定直流 电压，满足各种设备的用电需求。
电力电子技术的应用
电力系统
电力系统中的电力电子技术应用主要涉及发 电、输电和配电环节。通过使用电力电子设 备，如可编程逻辑控制器（PLC）和智能传 感器，可以实现电网的智能化控制和优化管 理，提高电力系统的稳定性和可靠性。
新型电力电子器件—碳化硅ppt课件
18
作为一种新型的宽禁带半导体材料，碳化硅因其出色的物理及电 特性，正越来越受到产业界的广泛关注。碳化硅电力电子器件的重要 系统优势在于具有高压(达数万伏)高温(大于 500 ℃ )特性，突破了硅 基功率半导体器件电压(数 kV)和温度(小于 150 ℃ )限制所导致的严重 系统局限性。随着碳化硅材料技术的进步，各种碳化硅功率器件被研 发出来，由于受成本、产量以及可靠性的影响，碳化硅功率器件率先 在低压领域实现了产业化，目前的商业产品电压等级在 600~1 700 V。 随着技术的进步，高压碳化硅器件已经问世，并持续在替代传统硅器 件的道路上取得进步。随着高压碳化硅功率器件的发展，已经研发出 了 19.5 kV 的碳化硅二极管， 3.1 kV和 4.5 kV 的门极可关断晶闸管 (GTO)，10 kV 的碳化硅 MOSFET和 13~15 kV碳化硅IGBT 等。它们的研 发成功以及未来可能的产业化，将在电力系统中的高压领域开辟全新 的应用，对电力系统的变革产生深远的影响。
5
Johnson 优良指数(JFM)表示器件高功率、
高频率性能的基本限制
KFM 表示基于体管开关速度的优良指数
质量因子 1(QF1)表示电力电子器件中有源
器件面积和散热材料的优良指数
QF2则表示理想散热器下的优良指数
QF3 表示对散热器及其几何形态不加任何
假设状况下的优良指数
Baliga 优良指数 BHFM 表示器件高频应用
固态变压器是一种以电力电子技术为核心的变电装置，它通过电 力电子变流器和高频变压器实现电力系统中的电压变换和能量传递及 控制，以取代电力系统中的传统的工频变压器。与传统电力变压器相 比，具有体积小、重量轻等优点，同时具有传统变压器所不具备的诸 多优点，包括供电质量高、功率因数高、自动限流、具备无功补偿能 力、频率变换、输出相数变换以及便于自动监控等优点。
作为一种新型的宽禁带半导体材料，碳化硅因其出色的物理及电 特性，正越来越受到产业界的广泛关注。碳化硅电力电子器件的重要 系统优势在于具有高压(达数万伏)高温(大于 500 ℃ )特性，突破了硅 基功率半导体器件电压(数 kV)和温度(小于 150 ℃ )限制所导致的严重 系统局限性。随着碳化硅材料技术的进步，各种碳化硅功率器件被研 发出来，由于受成本、产量以及可靠性的影响，碳化硅功率器件率先 在低压领域实现了产业化，目前的商业产品电压等级在 600~1 700 V。 随着技术的进步，高压碳化硅器件已经问世，并持续在替代传统硅器 件的道路上取得进步。随着高压碳化硅功率器件的发展，已经研发出 了 19.5 kV 的碳化硅二极管， 3.1 kV和 4.5 kV 的门极可关断晶闸管 (GTO)，10 kV 的碳化硅 MOSFET和 13~15 kV碳化硅IGBT 等。它们的研 发成功以及未来可能的产业化，将在电力系统中的高压领域开辟全新 的应用，对电力系统的变革产生深远的影响。
5
Johnson 优良指数(JFM)表示器件高功率、
高频率性能的基本限制
KFM 表示基于体管开关速度的优良指数
质量因子 1(QF1)表示电力电子器件中有源
器件面积和散热材料的优良指数
QF2则表示理想散热器下的优良指数
QF3 表示对散热器及其几何形态不加任何
假设状况下的优良指数
Baliga 优良指数 BHFM 表示器件高频应用
固态变压器是一种以电力电子技术为核心的变电装置，它通过电 力电子变流器和高频变压器实现电力系统中的电压变换和能量传递及 控制，以取代电力系统中的传统的工频变压器。与传统电力变压器相 比，具有体积小、重量轻等优点，同时具有传统变压器所不具备的诸 多优点，包括供电质量高、功率因数高、自动限流、具备无功补偿能 力、频率变换、输出相数变换以及便于自动监控等优点。
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受的电压和电流容量高，工作可靠，在大容量的场 合具有重要地位
缺点：工作频率较低(一般低于400HZ)，需要强迫换相
电路，体积庞大，可靠性降低
全控型器件-第二代电力电子器件
代表:
GTO、GTR
电流控制 型
Power MOSFET、SIT
电压控制 型
新型电力电子器件 组合化 大功率 易驱动 高频化
MOSFE T
积小)、损耗低、制造成本低 、成品
率高，因而是高功率高电压低频交流
器首选
新型电力电子器件-IGCT的应用
研究进展 高耐压大电流
瑞士ABB制造的IGCT的最高性能参数为4.5kV／4kA。 日本三菱公司开发了直径为88mm的6kV／4kA的IGCT
应用情况
大功率高电压低频交流器
瑞士的ABB公司的ACS1000系列高压大容量变频器 上海西郊变电所±50Mvar STATCOM(静止同步补偿器)装置
集-发射极采用平板压接，芯片两端散热 改善发热 避免了电极引出线，减少引线电感， 提高了可靠性
平板压接结构的高压大电流IGBT模块可望成为 高功率高电压变流器的优选功率器件。
新型电力电子器件-新型IGBT模块
电子注入增强栅晶体管 (IEGT)
日本东芝开发
电子注入增强效应
平板压接式电极引 出结构
饱和压降低, 安全工作区宽(吸收回路容量仅为 GTO的1/10左右), 栅极驱动功率低(比GTO低两个 数量级)和工作频率较高 减小引线电感，改善发热，提高可靠性
SCR+MOSFET
优点
晶闸管良好的阻断和通态特性
MOS场效应管输入阻抗高、驱 动功率低和开关速度快的优点
克服了晶闸管速度慢、不能自 关断和高压MOS场效应管导通压
缺点
降大的缺点 关断电流受旁路电阻限制
其关断时电流的不均匀性
新型电力电子器件-MCT的应用
MCT器件的等级可达到300A/3000V,可关断电流密度为 325A/cm2,已试制出由12个MCT并联组成的模块。 美国西屋公司采用MCT开发10kW高频串并联谐振DC-DC 变流器,功率密度(6.1W/cm2),运行可靠。 美国正计划采用MCT组成功率变流设备，建设高达 500kV的高压直流输电HVDC设备。 国内的东南大学采用SDB键合特殊工艺在实验室制成了 100mA/100V MCT样品; 西安电力电子技术研究所利用 国外进口厚外延硅片也试制出9A/300V MCT 样品
第一章 电力电子半导体器件概述
合肥工业大学能源研究所
苏建徽
第1节 电力电子器件 第2节 电力电子集成技术
1.1 电力电子器件的发展历史 1.2 新型电力电子器件
电力电子器件的发展
晶闸 管
半 控 型 器 件
全控型 高频化
集成电路 全 控 型 器 件
大功率 易驱动 高频化
IGCT、IEGT IGBT 、MCT
等
复合型器件
模块化、集成化
Power MOSFET GTO 、
GTR 等
高功率密度 缩小体积 降低成本 提高可靠性
SPIC、 IPM 、 PECC 等
半控型器件-第一代电力电子器件
代表：晶闸管SCR系列:快速晶闸管、逆导晶闸管、双
向晶闸管、不对称晶闸管等
优点：制造工艺简单，价格低廉，控制线路成熟，承
研究成果：
•瑞士ABB采用软穿通原则研制出了高压 8000V的IGBT器 •德国的EUPEC生产了6500V/600A高压大功率IGBT •日本的东芝公司开发和研制新型高压IGBT器件
新型电力电子器件-新型IGBT模块
高功率沟槽栅结构IGBT (Trench IGBT)
平面栅结构改为沟槽栅结构 沟槽栅采用1μm加工精度，提高了元胞密度 门极沟的存在，减小导通电阻，为增加基区厚度 提高器件耐压创造了条件
新型IGBT模块
IEGT的应用前景
MOS系列－电力电子器件的重要发展方向
低损耗、高速动作－器件的性能大幅提高
达到4.5KV/1500A等级，模块封装
－中大容量变换器
6KV高耐压化、有源栅驱动的智能化、沟 槽结构、多芯片并联而自均流特性
－器件并联并联扩容使用
新型电力电子器件-MCT
MOS控制晶闸管(MOS-Controlled Thyristor)
背景资料
新型电力电子器件-IGCT
集成门极换流晶闸管
GTO是常用的高压大功率开关器件，(VBR>3300V,功率等级 0.5MW-20MW)，相对于IGBT在截止电压上有更高的性能。 但GTO驱动技术造成不均匀的开通和关断过程，需要高成 本的dv/dt和di/dt吸收电路和较大功率的门极驱动单元，因而 造成可靠性下降和价格较高的缺点。此外，也不利于串联 以便用于更大容量的装置。
新型电力电子器件ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱIGBT
GTR
GTR+ MOSFET
优点: 输入阻抗高、开关速度快、开关频率高、高安全
工作区宽; 耐压高、电流大.
缺点：工艺要求高、大功率应用受限。目前在高压领
域，依靠IGBT高压串联技术来实现它的高压应用
新型电力电子器件-IGBT的新发展
应用现状：中等功率应用主流开关器件 发展趋势：高耐压大电流
新型电力电子器件-IGCT的特性
特殊的环形门极
GTO+MOSFET
开关特性
导通期间
晶闸管的低通态损耗
集成了GTO芯片、反并联二 极管和门极驱动电路，再与 其门极驱动器在外围以低电 感方式连接。引线电感为 GTO的1/100
关断阶段
特点
晶体管的稳定关断能力
电流大、电压高、开关频率高(略低
于IGBT)、可靠性高、结构紧凑(硅面
新型电力电子器件-SiC半导体器件
SiC--发展最成熟的宽禁带半导体材料 物理特点:高禁带宽度，高饱和电子漂移速度，高击穿度
低介电常数和高热导率。
应用范围: 高温、高频率、高功率。可制作性能更优异的
高速度、高温 (300～500℃)、高频、高功率抗 辐射器件。
新型电力电子器件-IGCT的应用
新型电力电子器件-基于新材料的发展
常规半导体材料
Silicon(硅)
理想功率器件特性
SiC性能指标高于GaAs，是 研究的主要潮流之一
新型半导体材料
砷化镓 GaAs 碳化硅 SiC
高压砷化镓高 频整流二级管
SiC高频功率器件
美国电力电子系统中心的李泽元博士指出，Silicon(硅)基 器件的发展，在今后已没有什么可突破的空间了，目前研 究的方向是SiC等下一代半导体材料，这种新器件将在今后 5～10年内出现，它的出现会产生革命性的影响。
缺点：工作频率较低(一般低于400HZ)，需要强迫换相
电路，体积庞大，可靠性降低
全控型器件-第二代电力电子器件
代表:
GTO、GTR
电流控制 型
Power MOSFET、SIT
电压控制 型
新型电力电子器件 组合化 大功率 易驱动 高频化
MOSFE T
积小)、损耗低、制造成本低 、成品
率高，因而是高功率高电压低频交流
器首选
新型电力电子器件-IGCT的应用
研究进展 高耐压大电流
瑞士ABB制造的IGCT的最高性能参数为4.5kV／4kA。 日本三菱公司开发了直径为88mm的6kV／4kA的IGCT
应用情况
大功率高电压低频交流器
瑞士的ABB公司的ACS1000系列高压大容量变频器 上海西郊变电所±50Mvar STATCOM(静止同步补偿器)装置
集-发射极采用平板压接，芯片两端散热 改善发热 避免了电极引出线，减少引线电感， 提高了可靠性
平板压接结构的高压大电流IGBT模块可望成为 高功率高电压变流器的优选功率器件。
新型电力电子器件-新型IGBT模块
电子注入增强栅晶体管 (IEGT)
日本东芝开发
电子注入增强效应
平板压接式电极引 出结构
饱和压降低, 安全工作区宽(吸收回路容量仅为 GTO的1/10左右), 栅极驱动功率低(比GTO低两个 数量级)和工作频率较高 减小引线电感，改善发热，提高可靠性
SCR+MOSFET
优点
晶闸管良好的阻断和通态特性
MOS场效应管输入阻抗高、驱 动功率低和开关速度快的优点
克服了晶闸管速度慢、不能自 关断和高压MOS场效应管导通压
缺点
降大的缺点 关断电流受旁路电阻限制
其关断时电流的不均匀性
新型电力电子器件-MCT的应用
MCT器件的等级可达到300A/3000V,可关断电流密度为 325A/cm2,已试制出由12个MCT并联组成的模块。 美国西屋公司采用MCT开发10kW高频串并联谐振DC-DC 变流器,功率密度(6.1W/cm2),运行可靠。 美国正计划采用MCT组成功率变流设备，建设高达 500kV的高压直流输电HVDC设备。 国内的东南大学采用SDB键合特殊工艺在实验室制成了 100mA/100V MCT样品; 西安电力电子技术研究所利用 国外进口厚外延硅片也试制出9A/300V MCT 样品
第一章 电力电子半导体器件概述
合肥工业大学能源研究所
苏建徽
第1节 电力电子器件 第2节 电力电子集成技术
1.1 电力电子器件的发展历史 1.2 新型电力电子器件
电力电子器件的发展
晶闸 管
半 控 型 器 件
全控型 高频化
集成电路 全 控 型 器 件
大功率 易驱动 高频化
IGCT、IEGT IGBT 、MCT
等
复合型器件
模块化、集成化
Power MOSFET GTO 、
GTR 等
高功率密度 缩小体积 降低成本 提高可靠性
SPIC、 IPM 、 PECC 等
半控型器件-第一代电力电子器件
代表：晶闸管SCR系列:快速晶闸管、逆导晶闸管、双
向晶闸管、不对称晶闸管等
优点：制造工艺简单，价格低廉，控制线路成熟，承
研究成果：
•瑞士ABB采用软穿通原则研制出了高压 8000V的IGBT器 •德国的EUPEC生产了6500V/600A高压大功率IGBT •日本的东芝公司开发和研制新型高压IGBT器件
新型电力电子器件-新型IGBT模块
高功率沟槽栅结构IGBT (Trench IGBT)
平面栅结构改为沟槽栅结构 沟槽栅采用1μm加工精度，提高了元胞密度 门极沟的存在，减小导通电阻，为增加基区厚度 提高器件耐压创造了条件
新型IGBT模块
IEGT的应用前景
MOS系列－电力电子器件的重要发展方向
低损耗、高速动作－器件的性能大幅提高
达到4.5KV/1500A等级，模块封装
－中大容量变换器
6KV高耐压化、有源栅驱动的智能化、沟 槽结构、多芯片并联而自均流特性
－器件并联并联扩容使用
新型电力电子器件-MCT
MOS控制晶闸管(MOS-Controlled Thyristor)
背景资料
新型电力电子器件-IGCT
集成门极换流晶闸管
GTO是常用的高压大功率开关器件，(VBR>3300V,功率等级 0.5MW-20MW)，相对于IGBT在截止电压上有更高的性能。 但GTO驱动技术造成不均匀的开通和关断过程，需要高成 本的dv/dt和di/dt吸收电路和较大功率的门极驱动单元，因而 造成可靠性下降和价格较高的缺点。此外，也不利于串联 以便用于更大容量的装置。
新型电力电子器件ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱIGBT
GTR
GTR+ MOSFET
优点: 输入阻抗高、开关速度快、开关频率高、高安全
工作区宽; 耐压高、电流大.
缺点：工艺要求高、大功率应用受限。目前在高压领
域，依靠IGBT高压串联技术来实现它的高压应用
新型电力电子器件-IGBT的新发展
应用现状：中等功率应用主流开关器件 发展趋势：高耐压大电流
新型电力电子器件-IGCT的特性
特殊的环形门极
GTO+MOSFET
开关特性
导通期间
晶闸管的低通态损耗
集成了GTO芯片、反并联二 极管和门极驱动电路，再与 其门极驱动器在外围以低电 感方式连接。引线电感为 GTO的1/100
关断阶段
特点
晶体管的稳定关断能力
电流大、电压高、开关频率高(略低
于IGBT)、可靠性高、结构紧凑(硅面
新型电力电子器件-SiC半导体器件
SiC--发展最成熟的宽禁带半导体材料 物理特点:高禁带宽度，高饱和电子漂移速度，高击穿度
低介电常数和高热导率。
应用范围: 高温、高频率、高功率。可制作性能更优异的
高速度、高温 (300～500℃)、高频、高功率抗 辐射器件。
新型电力电子器件-IGCT的应用
新型电力电子器件-基于新材料的发展
常规半导体材料
Silicon(硅)
理想功率器件特性
SiC性能指标高于GaAs，是 研究的主要潮流之一
新型半导体材料
砷化镓 GaAs 碳化硅 SiC
高压砷化镓高 频整流二级管
SiC高频功率器件
美国电力电子系统中心的李泽元博士指出，Silicon(硅)基 器件的发展，在今后已没有什么可突破的空间了，目前研 究的方向是SiC等下一代半导体材料，这种新器件将在今后 5～10年内出现，它的出现会产生革命性的影响。