新型电力电子器件介绍1..
新型电力电子器件在电力系统中的应用前景
新型电力电子器件在电力系统中的应用前景随着科技不断进步和社会经济的不断发展，电力系统的应用需求也越来越复杂。
为了满足这一需求，新型电力电子器件被广泛运用在电力系统中，提高了电力系统的安全性、可靠性和经济性，同时也促进了电力系统的可持续发展。
本文将介绍新型电力电子器件在电力系统中的应用前景。
一、交流光伏逆变器随着全球对可再生能源的投资不断增长，太阳能发电得到了广泛的应用和推广。
随着太阳能产业不断发展，交流光伏逆变器被广泛应用于户用和商用太阳能发电中。
交流光伏逆变器是一种用于将直流太阳能电池产生的电能变为交流电能的设备。
它采用了现代的电力电子技术，对太阳能板产生的直流电进行零压降变换，从而不需要通过变压器使其升压变频输出。
交流光伏逆变器的主要优点是其能大大提高太阳能发电系统的效率，同时也能降低电网的改造成本。
应用前景广阔。
二、高压直流输电器高压直流输电器可以使电力系统更加可靠、高效，同时也可以降低输电线路的损耗和占地面积。
与传统的输电方式相比，高压直流输电器具有更高的效率和更好的控制机制。
它是一种新型的电力转换器，能够将交流电转换为高压直流电，并通过受控的直流输电线路进行传输。
高压直流输电器在跨越长距离、交流电能输送过程中的电缆损耗和电力系统的容量限制都具有独特的优势。
三、有源电力滤波器电力滤波器已经成为电力系统中的一项重要技术，主要用于解决电力系统中的谐波问题和保护电力设备。
有源电力滤波器是一种新型的电力滤波器，其具有非常高的电力品质和电力调节能力。
它可以通过交叉直接制导电流来对电力设备中存在的光伏和谐波进行处理和调节，从而避免对电力系统中的设备和连接器造成不必要的损坏。
有源电力滤波器在保护电力系统和提高电力质量方面的能力是非常强大的。
四、电动汽车充电设备随着电动汽车的不断普及，其充电设备也成为电力系统中新的焦点。
电动汽车充电设备主要有两种类型：交流充电和直流充电。
交流充电是将交流电通过车载充电的交流电缆进行传输，而直流充电则是将直流电传输到车辆的电池中，以便快速充电。
全控型电力电子器件GTO
O
t
iA IA 90%IA 10%IA 0
td
tr
ts
tf
tt
t0
t1
t2
t3
t4t5t6tGTO的开通和关断过程电流波形 的开通和关断过程电流波形
4. GTO的主要参数 的主要参数
许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同， 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下 只介绍意义不同的参数。 只介绍意义不同的参数。 （1）开通时间 on ）开通时间t
（3）最大可关断阳极电流 ATO ）最大可关断阳极电流I
——GTO额定电流 额定电流。 额定电流
（4） 电流关断增益βoff ）
——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最 大值I 之比称为电流关断增益。 大值 GM之比称为电流关断增益。
β off
I ATO = I GM
较大，使晶体管V 设计α2较大，使晶体管 2控 制灵敏，易于关断。 制灵敏，易于关断。 更接近1， 导通时α1+α2更接近 ，导 通时接近临界饱和， 通时接近临界饱和，有利门 极控制关断， 极控制关断，但导通时管压 降增大。 降增大。 多元集成结构， 多元集成结构，每个元阴极 和门极距离很短，使得P 和门极距离很短，使得 2基 区横向电阻很小， 区横向电阻很小，能从门极 抽出较大电流。 抽出较大电流。
GTO的开关时间比普通晶闸管短但比 的开关时间比普通晶闸管短但比GTR长，因此工 长 的开关时间比普通晶闸管短但比 作频率介于两者之间。 作频率介于两者之间。 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承 不少 都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管， 都制造成逆导型 受反压时，应和电力二极管串联 。 受反压时，
电力电子器件概述PPT
2.3 半控型器件—晶闸管·引言
晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整 流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量 的场合具有重要地位。
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。
2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
其他几种可能导通的情况：
阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光触发
光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电 力设备中，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）。
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高 平均温度。 TJM通常在125~175C续一个或几个工频 周期的过电流。
2.2.4 电力二极管的主要类型
按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能， 特别是反向恢复特性的不同介绍。
2 I G I CBO1 I CBO2
IA
1 ( 1 2 )
（2-10）
在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来
之后， 迅速增大。(形成强烈正反馈，维持器件自锁导通
，不再需要触发电流)
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。
电力电子器件的最新发展现状
静电感应晶体管 SIT是一种电压控制器件。在零栅压或很小旳负栅压 时，沟道区已全部耗尽，呈夹断状态，接近源极一侧旳沟道中出现呈马 鞍形分布旳势垒，由源极流向漏极旳电流完全受此势垒旳控制。在漏极 上加一定旳电压后，势垒下降，源漏电流开始流动。漏压越高,越大,亦即 SIT旳源漏极之间是靠漏电压旳静电感应保持其连接旳,所以称为静电感 应晶体管。
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和双极型晶体管相比,SIT具有下列旳优点：①线性好、噪声小。用 SIT制成旳功率放大器,在音质、音色等方面均优于双极型晶体管。②输 入阻抗高、输出阻抗低，可直接构成OTL电路。③SIT是一种无基区晶体 管，没有基区少数载流子存储效应，开关速度快。④它是一种多子器件， 在大电流下具有负温度系数，器件本身有温度自平衡作用，抗烧毁能力 强。⑤无二次击穿效应，可靠性高。⑥低温性能好，在-19℃下工作正常。 ⑦抗辐照能力比双极晶体管高50倍以上。
电子技术旳开端。今后，晶闸管(SCR)旳派生器件越来越多， 到了70年代
3
已经派生了迅速晶ห้องสมุดไป่ตู้管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半 控型器件，功率越来越大，性能日益完善。但是因为晶闸管本身工作频 率较低（一般低于400Hz），大大限制了它旳应用。另外，关断这些器 件，需要逼迫换相电路，使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。 全控型器件——第二代电力电子器件
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器件中是最高旳。另外，MCT可承受极高旳di/dt和du/dt， 使得其保护电路能够简化。MCT旳开关速度超高GTR,开关 损耗也小。
MCT曾一度被以为是一种最有发展前途旳电力电子器件 。所以，20世纪80年代以来一度成为研究旳热点。但经过十 数年旳 研 究 ，其关键技术问题没有大旳突破，电压和电流容 量都远未到达预期旳数值，未能投入实际应用。而其竞争对 手IGBT却进展飞速，所以，目前从事MCT研究旳人不是诸 多。
新型电力电子器件的材料与制造工艺研发
新型电力电子器件的材料与制造工艺研发近年来，随着电力电子技术的快速发展，新型电力电子器件的研发成为了关注的焦点。
在电力电子器件中，材料与制造工艺的研究和创新起着至关重要的作用。
本文将探讨新型电力电子器件的材料和制造工艺的研发。
一、半导体材料的研发半导体材料是电力电子器件中最基础的材料之一。
传统的硅材料由于其电学性能优良、制造工艺成熟，一直在电力电子领域中得到广泛应用。
然而，随着电力电子器件功率密度的不断提高，传统硅材料的一些局限性逐渐凸显出来，如限制了器件的切换速度和功率损耗。
因此，研发新型半导体材料成为了迫切的需求。
为了克服传统硅材料的局限性，研究人员开展了大量的工作，开发出了多种新型半导体材料，例如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。
这些材料具有高电子迁移率、高耐受电场强度和低导通电阻等优点，可以显著提高电力电子器件的性能。
此外，还有一些其他新型半导体材料在研发中，如磷化铟（InP）和碳化氮（CN）。
这些新型半导体材料的研发将进一步推动电力电子器件的发展。
二、材料界面与界面工艺的研究电力电子器件中的材料界面对器件的性能具有重要影响。
在传统硅基电力电子器件中，经典的接触技术由于界面态和品质限制而存在较大的接触电阻和导通电阻。
为了降低接触电阻和导通电阻，研究人员开展了材料界面的研究工作。
在新型半导体材料中，界面工艺对器件性能有着重要影响。
例如，在碳化硅材料中，界面状态和品质会引起电子能级结构变化，进而影响接触电阻和导通电阻。
因此，研究新型材料的界面工艺，如界面能带工程和界面化学物理性质的优化，对于提高电力电子器件性能至关重要。
此外，还有一些表面改性材料和界面修饰技术的研究，能够降低器件的接触电阻和界面电阻。
三、制造工艺的研发新型电力电子器件的制造工艺也是研发的重点之一。
传统的硅基电力电子器件已经具备成熟的制造工艺，但对于新型材料来说，制造工艺的研发仍然面临一些挑战。
首先，新型材料的制造工艺需要与传统工艺有所不同。
13种常用的功率半导体器件介绍
13种常用的功率半导体器件介绍电力电子器件（Power Electronic Device），又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）电子器件。
可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶闸管为半控型器件，承受电压和电流容量在所有器件中最高；电力二极管为不可控器件，结构和原理简单，工作可靠；还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其中GTO、GTR为电流驱动型器件，IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。
1. MCT （MOS Control led Thyristor）：MOS控制晶闸管MCT 是一种新型MOS 与双极复合型器件。
如上图所示。
MCT是将MOSFET 的高阻抗、低驱动图MCT 的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起，形成大功率、高压、快速全控型器件。
实质上MCT 是一个MOS 门极控制的晶闸管。
它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断，它由无数单胞并联而成。
它与GTR，MOSFET，IGBT，GTO 等器件相比，有如下优点：（1）电压高、电流容量大，阻断电压已达3 000V，峰值电流达1 000 A，最大可关断电流密度为6000kA/m2；（2）通态压降小、损耗小，通态压降约为11V；（3）极高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已达20 kV/s ，di/dt为2 kA/s；（4）开关速度快，开关损耗小，开通时间约200ns，1 000 V 器件可在2 s 内关断；2. IGCT（Intergrated Gate Commutated Thyristors）IGCT 是在晶闸管技术的基础上结合IGBT 和GTO 等技术开发的新型器件，适用于高压大容量变频系统中，是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。
IGCT 是将GTO 芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。
电力电子半导体器件(IGBT)
c. 栅分布锁定：是因为绝缘栅旳电容效应，造成在开关过程中个别先开通或 后关断旳IGBT之中旳电流密度过大而形成局部锁定。
——采用多种工艺措施，能够提升锁定电流，克服因为锁定产生旳失效。
4．开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数旳关系：
5．开关损耗与温度和漏极电流关系
（三）擎住效应
IGBT旳锁定现象又称擎住效应。IGBT复合器件内有一种 寄生晶闸管存在，它由PNP利NPN两个晶体管构成。在NPN晶 体管旳基极与发射极之间并有一种体区电阻Rbr，在该电阻上， P型体区旳横向空穴流会产生一定压降。对J3结来说相当于加 一种正偏置电压。在要求旳漏极电流范围内，这个正偏压不大， NPN晶体管不起作用。当漏极电流人到—定程度时，这个正偏 量电压足以使NPN晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极 失去控制作用、这就是所谓旳擎住效应。IGBT发生擎住效应后。 漏极电流增大造成过高旳功耗，最终造成器件损坏。
在使用中为了防止IGBT发生擎住现象:
1．设计电路时应确保IGBT中旳电流不超出IDM值； 2．用加大门极电阻RG旳方法延长IGBT旳关断时间，减小重加
dVDS/d t。 3．器件制造厂家也在IGBT旳工艺与构造上想方设法尽量提
高IDM值，尽量防止产生擎住效应。
（四）安全工作区 1．FBSOA：IGBT开通时正向偏置安全工作区。
4．开关特征：
与功率MOSFET相比，IGBT 通态压降要小得多，1000V旳 IGBT约有2~5Ｖ旳通态压降。这 是因为IGBT中N－漂移区存在电 导调制效应旳缘故。
1-2-电力电子主要器件特点
主要电力电子器件特点◆不可控器件——电力二极管PD◆电流驱动型器件(SCR、GTO、GTR)◆电压驱动型器件（POWER MOSFET、IGBT）（）电力二极管（P Di d ）I（一）电力二极管（Power Diode）I F◆二极管的基本原理——PN结的单向导电性功率提高：结构、P-i-NO U TO U FU◆PN 结的电容效应，结电容C J 影响PN 结的工作频率势垒电容C B 和扩散电容C D◆正向电压降U 和反向漏电流I Fd i F F U Ft t t rrt dt ft t td t◆通流能力强---电导调制效应F 012U Rd i R d t ◆存在较大反向电流和反向电压过冲a)U RPI R P ◆正向导通需要正向恢复时间t fr（二）电流驱动型器件特点：都是三个联接端，2个功率端，1个控制端◆晶闸管—半控型器件，开通时刻可控◆门极可关断晶闸管GTO☞晶闸管的一种派生器件，在门极施加负的脉冲电流使其关断小☞电流关断增益βoff◆电力晶体管（Giant Transistor——GTR）☞与普通的双极结型晶体管基本原理样与普通的双极结型晶体管基本原理一样☞最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好（三）电力MOSFET（绝缘栅型MOS）栅极来控制漏极特点◆电压来控制电流，它的特点：☞驱动电路简单，需要的驱动功率小。
☞开关速度快，工作频率高。
☞电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。
◆按导电沟道可分为沟道和沟道P N沟道。
☞当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型。
对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导☞）沟道器件栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。
☞在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。
中主要是☞输出特性截止区（GTR的截止区）饱和区（GTR的放大区）非饱和区（GTR的饱和区）饱和----漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和指漏源电压增加时----漏极电流相应增加。
电力电子器件
传统的开关器件包括晶闸管（SCR）、电力晶体管（GTR）,可 关断晶闸管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）等。近年来 ，随着半导体制造技术和变流技术的发展，相继出现了绝缘栅极双 极型晶体管（IGBT）、场控晶闸管（MCT）等新型电力电子器件 。
电力电子器件的性能要求是大容量、高频率、易驱动和低损耗 。因此，评价器件品质因素的主要标准是容量、开关速度、驱动功 率、通态压降、芯片利用率。
图4-27 IGBT的简化等效电路图
图4-27 IGBT的简化等效电路图
图4-27 IGBT的简化等效电路图
图4-27 IGBT的简化等效电路图 MCT阻断电压高，通态压降小，驱动功率低，开关速度快。虽 然目前的容量水平仅为1000V/100A，其通态压降只有IGBT或 GTR的1/3左右，硅片的单位面积连续电流密度在各种器件中是最 高的。另外，MCT可承受极高的di/dt和du/dr，这使得保护电路 可以简化。MCT的开关速度超过GTR，开关损耗也小。总之， MCT被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。
IGBT是多元集成结构，每个IGBT元的结构如图4-27（a）所示， 图4-27（b）是IGBT的等效电路，它由一个MOSFET和一个PNP 晶体管构成，给栅极施加正偏信号后，MOSFET导通，从而给PNP 晶体管提供了基极电流使其导通。给栅极施加反偏信号后， MOSFET关断，使PNP晶体管基极电流为零而截止。图4-27（c） 是IGBT的电气符号。
机电一体化
图4-27 IGBT的简化等效电路图
IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于电力晶体管。 IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和 发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3～4V，和 MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和电力晶 体管接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。
电力电子器件综合概述ppt(共83页)
电力电子器件的分类
2.驱动信号的性质
电流驱动型
电压驱动型
通断
11
电力电子器件的分类
3.导电方式
单极型器件
只有一种载流子（多数）参与导电
双极型器件
电子和空穴两种载流子同时参与导电
复合型器件
单极型器件和双极型器件集成混合而成
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晶闸管的结构与工作原理
1.结构和符号
A 阳极
G
门极
P1 N1 P2 N2
它有三个电极 1和2代表开关的两个主电极，3是控制开关通断的控制。
它只有两种工作状态——“通态”和“断态” 通态时其电阻为零，相当于开关闭合； 断态时其电阻无穷大，相当于开关断开。
4
电力电子器件的概念和特征
2 .特征 电力电子器件是功率半导体器件
1）处理电功率的能力>>信息电子器件。 2）一般工作在开关状态。 3）一般由信息电子电路驱动。 4）功率损耗>>信息电子器件。
2～3倍。
即 UTn=（2~3）UTM
UTM 为晶闸管在实际工作中所承受的最大正反向电压
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晶闸管的主要参数
2.电流定额
通态平均电流IT(AV) 在规定的条件下，晶闸管所允许流过的最大
工频正弦半波电流的平均值。
维持电流 IH 维持晶闸管继续导通所必需的最小阳极电流。
擎住电流IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，
5
电力电子器件的概念和特征
2 .特征 如何考查电力电子器件 导通压降(损耗) 运行频率(开通时间/关断时间) 器件容量(电能处理、变换的能力) 可靠性 耐冲能力
6
电力电子电路系统组成
控制电 路
主电路
电力电子器件的工作原理及应用
电力电子器件的工作原理及应用在现代电力系统中，电力电子器件扮演着重要的角色。
通过电力电子器件的控制，我们可以实现电能的高效转换、电压的调节、电流的控制等功能。
本文将介绍电力电子器件的工作原理以及其在不同领域的应用。
一、整流器的工作原理及应用整流器是一种将交流信号转换为直流信号的电力电子器件。
它的主要工作原理是利用二极管的导通特性，将交流电信号通过整流电路进行滤波而得到直流电信号。
整流器广泛应用于交流电源变换为直流供电的场合，比如家庭电器、工业设备等。
它可以有效地实现电能的传输和利用。
二、逆变器的工作原理及应用逆变器是一种将直流信号转换为交流信号的电力电子器件。
它通过对直流电信号进行开关控制，实现电压的变频和调节。
逆变器被广泛应用于太阳能发电、风能发电等可再生能源领域，将直流电能转换为交流电能以满足家庭、工业等用电需求。
三、IGBT的工作原理及应用IGBT是一种绝缘栅双极型晶体管，是目前最常用的功率开关器件之一。
它结合了场效应晶体管和双极型晶体管的优点，具有低导通压降和高开关速度的特点。
IGBT广泛应用于电力变换、电机驱动等领域，如交流电变直流电、频率调节等。
四、功率模块的工作原理及应用功率模块是一种将多个功率器件集成在一起的器件，在电力电子系统中起到连接和控制的作用。
功率模块的工作原理是通过控制信号控制其中的功率器件的开关状态，从而实现功率的传输和调节。
功率模块广泛应用于电动车、电机驱动、UPS电源等领域，实现高效能量转换和控制。
五、开关电源的工作原理及应用开关电源是一种利用开关元件进行能量转换和供电的电源系统。
它的工作原理是通过高频开关将输入的交流电转换为高频交流信号，再通过变压器和整流电路将其转换为直流电信号。
开关电源广泛应用于计算机、通信设备、家用电器等场合，具有高效率、小体积等特点。
六、电力电子器件在新能源领域的应用随着可再生能源的快速发展，电力电子器件在新能源领域有着重要的应用。
例如，在太阳能发电系统中，逆变器起到将太阳能转换为可用交流电的作用；在风力发电系统中，电力电子器件可以实现风机的变频调速和并网发电等功能。
新型电力电子器件及其应用
新型电力电子器件及其应用近年来，电力电子器件的应用逐渐普及，同时也出现了不少新型电力电子器件，为电力系统的稳定运行和节能减排做出了贡献。
一、功率半导体器件功率半导体器件是电力电子器件的一种，其最突出的特点是肯定的导通和截止。
目前主流的功率半导体器件有MOSFET、IGBT、GTO、MCT等，其中MOSFET和IGBT应用最为广泛。
1.1 MOSFETMOSFET是一种金属氧化物场效应管，其具有开关速度快、开关损耗小的特点。
在交直流电变换、逆变器等场合都得到了广泛应用。
1.2 IGBTIGBT是继MOSFET之后发展起来的一种功率半导体器件，其优势在于开关速度较快、可靠性高、功率密度大。
在电力电子装置中应用普遍。
二、无功补偿器无功补偿器是电力系统中的重要组成部分，主要用于无功补偿和加强电网稳定性。
随着电力系统的发展，传统的无功补偿装置已经不能满足对电能质量的要求。
不过，新型电力电子器件的发展使得无功补偿器的性能有了大幅提升。
2.1 SVC静态无功补偿器(SVC)是一种采用控制器控制的无功补偿装置，是前一代SVC的升级版。
其工作方式和传统的SVC相似，但控制方式更复杂，能够得到更好的无功补偿效果。
2.2 STATCOM静态同步补偿器(STATCOM)是利用逆变器把电容器所储存的电量输出到电网上，以达到无功补偿的效果。
其具有响应速度快、灵敏度高、无需电抗器等优点，是一种高效的无功补偿器。
三、换流器在高压交流输电系统中，要将交流输电系统转换成直流输电系统，需要通过换流器来实现。
因此，换流器也是电力电子装置中不可缺少的部分。
3.1 VSC-HVDC基于换流器技术的高压直流输电(VSC-HVDC)是一种比传统HVDC更先进的输电方式。
其具有调度灵活、输电容量大、清洁环保等特点，可以使电力系统更稳定、更经济地运行。
3.2 MSC主动换流器(MSC)是一种新型的换流器，其特点在于能够更好地控制电压和电流，同时在电网故障时具有更高的可靠性。
新型电力电子器件—碳化硅
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 时的优良指数。
柔性交流输电系统
电力电子技术应用的发展，促成了近年来交流电网中的一个前沿领 域——柔性交流输电系统(FACTS)的诞生。FACTS 是指电力电子技术与现代 控制技术结合， 以实现对交流输电系统电压、相位角、品质、功率潮流 的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定 水平，降低输电损耗。
在电力系统中的应用
较之传统的电力系统控制设备而言，现代电力电子装置具 有一系列特点：变流、变频和调相能力；快速的响应性能(数 ms)；利用极小的功率控制极大功率；可实现高精度控制(对于 50~60 Hz 系统，器件触发相位可精确到 0.1°)；变流器体积小、 重量轻等。因此近年来电力电子技术在电能的发生、输送、分 配和使用都得到了广泛的应用，但是与其它应用领域相比，电 力系统要求电力电子装置具有更高的电压，更大的功率容量和 更高的可靠性。由于在电压、功率耐量方面的限制，上述这些 硅基大功率器件不得不采用器件串、并联技术和复杂的电路拓 扑来达到实际应用的要求，导致装置的故障率和成本大大增加， 制约了现代电力电子技术在现代电力系统中的应用。
碳化硅 MOSFET 器件
功率 MOSFET 具有理想的栅极绝缘特性、高速的开关 性能、低导通电阻和高稳定性，在硅基器件中，功率 MOSFET 获得巨大成功。同样，碳化硅 MOSFE 也是最受瞩 目的碳化硅功率开关器件，其最明显的优点是，驱动电路 非常简单及与现有的功率器件(硅功率 MOSFET 和 IGBT)驱 动电路的兼容性。碳化硅功率 MOSFET 面临的两个主要挑 战是栅氧层的长期可靠性问题和沟道电阻问题。随着碳化 硅 MOSFET 技术的进步，高性能的碳化硅 MOSFET 也被研 发出来，已有研究结果报道了具有较大的电压电流能力的 碳化硅 MOSFET器件。
《新型电力电子器件》课件
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
1-1-电力电子器件特征与分类
电力电子器件特征与分类◆电力电子技术的概念：使用电力电子器件对电能进行变换和电力电子技术的概念使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。
◆电力电子器件的地位：又称功率半导体器件，是电力电子电电力电子器件的地位又称功率半导体器件是电力电子电路（变流技术）的基础。
◆电力电子器件概念：可直接用于主电路中，实现电能的变换电力电子件概念直接用主电路中实电能的变换或控制的电子器件。
问题：为什么要对电能进行变换和控制？（）特征半导体功率开关与普通半导体器件有何区别? （一）特征问题：半导体功率开关与普通半导体器件有何区别☞电力电子器件能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件的电子器件。
☞电力电子器件一般都工作在开关状态。
☞电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制，需要驱动电路。
☞电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。
ii；（2）开关处于导通状态时能流过大电流端电压为零；（3）导通、关断切换时所需；（4）长期反复地开关也不损坏（）。
）长期反复地开关也不损坏（寿命长◆电力电子开关的特点---近似理想开关◆电力电子开关的主要损耗☞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的可行性☞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。
◆在分析变换器电路时采用理想化器件模型的可行性：☞由于能量转换的效率通常设计得很高，所以器件的通态电压与工作电压相比一定比较小所以在电路分析中可以电压与工作电压相比一定比较小，所以在电路分析中可以忽略。
☞器件的开关时间一定远小于电路的工作周期因此可近器件的开关时间定远小于电路的工作周期，因此可近似为瞬时通断。
采用理想化器件模型可大大简化变换器工作原理的分析，但是在设计实际变流装置时，必须考虑器件的具体特性。
（三）电力电子开关器件的应用准则在设计变流电路时，应根据应用的场合选择适合的电力电子开关器件。
选择时应考虑如下问题：☞电压和电流定额决定器件处理功率的能力。
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IEGT：电子注入增强栅晶体管
• IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是耐压达4KV以上的 IGBT系列电力电子器件，通过 采取增强注入的结构实现了低 通态电压，使大容量电力电子 器件取得了飞跃性的发展。 IEGT具有作为MOS系列电力电 子器件的潜在发展前景，具有 低损耗、高速动作、高耐压、 有源栅驱动智能化等特点，以 及采用沟槽结构和多芯片并联 而自均流的特性，使其在进一 步扩大电流容量方面颇具潜力。 另外，通过模块封装方式还可 提供众多派生产品，在大、中 容量变换器应用中被寄予厚望。
正式商用的高压大电流IGBT器件至今尚未出现，其电压 和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术 发展的需求，特别是在高压领域的许多应用中，要求器 件的电压等级达到10KV以上。目前只能通过IGBT高压串 联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB 公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的 EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获 得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。 目前，已研制出的高功率沟槽栅结构IGBT(Trench IGBT) 是高耐压大电流IGBT器件通常采用的结构，它避免了模 块内部大量的电极引线，减小了引线电感，提高了可靠 性。其缺点是芯片面积利用率下降。这种平板压接结构 的高压大电流IGBT模块将在高压、大功率变流器中获得 广泛应用。
IGCT：集成门极换流晶闸管
• 在国外，瑞典的ABB公司已经推出比较成熟的高压大容量IGCT产品。 在国内，由于价格等因素，目前只有包括清华大学在内的少数几家科 研机构在自己开发的电力电子装置中应用了IGCT。 • IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是一种用于巨型电力 电子成套装置中的新型电力半导体器件。IGCT使变流装置在功率、 可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进 展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。IGCT是将GTO芯片与反 并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以 低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗 的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。 IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损 耗低等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。 • 采用晶闸管技术的GTO是常用的大功率开关器件，它相对于采用晶体 管技术的IGBT在截止电压上有更高的性能，但广泛应用的标准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，价格较高， 也不利于串联。但是，在大功率MCT技术尚未成熟以前，IGCT已经 成为高压大功率低频交流器的优选方案。
MCT：MOS控制晶闸管
• MCT(MOS-Controlled Thyristor)是一种新型MOS与双 极复合型器件，如图2所示。它 采用集成电路工艺，在普通晶 闸管结构中制作大量MOS器件， 通过MOS器件的通断来控制晶 闸管的导通与关断。MCT既具 有晶闸管良好的关断和导通特 性，又具备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 场效应管导通压降大的不足。 所以MCT被认为是很有发展前 途的新型功率器件。MCT器件 的最大可关断电流已达到300A， 最高阻断电压为3KV，可关断 电流密度为325A/cm2，且已试 制出由12个MCT并联组成的模 块。
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电力电子器件的最新发展
现代电力电子器件仍然在向大功率、易驱动和高频化 方向发展。电力电子模块化是其向高功率密度发展的 重要一步。当前电力电子器件的主要发展成果如下：
IGBT：绝缘栅双极晶体管 MCT：MOS控制晶闸管 IGCT：集成门极换流晶闸管 IEGT：电子注入增强栅晶体管 IPEM：集成电力电子模块 PEBB：电力电子积木
IGBT：绝缘栅双极晶体管
• IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种N沟道增强型 场控(电压)复合器件，如图1所 示。它属于少子器件类，兼有 功率MOSFET和双极性器件的 优点：输入阻抗高、开关速度 快、安全工作区宽、饱和压降 低（甚至接近GTR的饱和压 降）、耐压高、电流大。IGBT 有望用于直流电压为1500V的 高压变流系统中。
在应用方面，美国西屋公司采用 MCT开发的10kW高频串并联谐振 DC-DC变流器，功率密度已达到 6.1W/cm3。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了9A/300V MCT 样品。
新型电力电子器件介绍
制作人：谢畅电子器件的回顾
• • • 电力电子器件又称作开关器件，相当于信号电路中的A/D采样，称之为功率采 样，器件的工作过程就是能量过渡过程，其可靠性决定了系统的可靠性。根 据可控程度可以把电力电子器件分成两类： 半控型器件——第一代电力电子器件 上个世纪50年代，美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电 子技术的开端。此后，晶闸管(SCR)的派生器件越来越多，到了70年代，已 经派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器 件，功率越来越大，性能日益完善。但是由于晶闸管本身工作频率较低（一 般低于400Hz），大大限制了它的应用。此外，关断这些器件，需要强迫换 相电路，使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。目前，国内生产的 电力电子器件仍以晶闸管为主。 全控型器件——第二代电力电子器件 随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控型器件发 展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。由于全控型器件可以控制开通 和关断，大大提高了开关控制的灵活性。自70年代后期以来，可关断晶闸管 (GTO)、电力晶体管(GTR或BJT)及其模块相继实用化。此后各种高频全控型 器件不断问世，并得到迅速发展。这些器件主要有电力场控晶体管(即功率 MOSFET)、绝缘栅极双极晶体管(IGT或IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电 感应晶闸管(SITH)等。