现代电力电子技术第一章电力电子器件资料
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现代电力电子技术
现代电力电子技术
河北工业大学 电气工程系
2020/9/23 1
现代电力电子技术
绪论
• 电力电子技术概念 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 技术。
• 电能变换的四种形式 • 电力电子技术发展的两个阶段
– 传统电力电子技术 – 现代电力电子技术
现代电力电子技术
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。
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现代电力电子技术
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。
二单元模块：1200V的达到800A；1700V的达到600A； 3300V的达到400A（样品）。
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现代电力电子技术
六单元模块：1200V的达到100A，研制水平达到400A； 1700V的达到75A，研制水平达到300A。
• 现代电力电子技术
– 传统电力电子技术的缺点
• 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 • 后期处于停滞阶段
– 新型器件及工艺的提高
• 上个世纪80年代以后出现的GTO、GTR、IGBT和 MOSFET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、 控制灵活、动态特性好、效率高等优点。
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现代电力电子技术
1.2.1 IGBT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。
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
• 集成化 全控型器件都是由许多单元器件并联而成。 • 高频化、全控化 • PWM控制方式 PWM已成为电力变化的核心技术。 • 控制技术的数字化与智能化 PIC和IPM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。
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
• 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杂的控制技术。
wenku.baidu.com
前景十分广阔的场控电力电子器件。
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1.2 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）
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 IGBT变频器比 BJT变频器有更大的吸引 力。
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第1章 电力电子器件的开关特性
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现代电力电子技术
1.1 电力电子器件 概述
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l－1所 示。
图l－1 电力电子器件“树”
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现代电力电子技术
根据器件的不同，开关特性可分为两大类型：半控型器 件和全控型器件。图1－1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两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 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。
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现代电力电子技术
• 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(IPM)，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 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 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
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 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极上的电压信号控制的，控制极电流 极小。
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绪论
• 电力电子技术概念 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 技术。
• 电能变换的四种形式 • 电力电子技术发展的两个阶段
– 传统电力电子技术 – 现代电力电子技术
现代电力电子技术
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。
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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。
二单元模块：1200V的达到800A；1700V的达到600A； 3300V的达到400A（样品）。
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六单元模块：1200V的达到100A，研制水平达到400A； 1700V的达到75A，研制水平达到300A。
• 现代电力电子技术
– 传统电力电子技术的缺点
• 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 • 后期处于停滞阶段
– 新型器件及工艺的提高
• 上个世纪80年代以后出现的GTO、GTR、IGBT和 MOSFET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、 控制灵活、动态特性好、效率高等优点。
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1.2.1 IGBT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。
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
• 集成化 全控型器件都是由许多单元器件并联而成。 • 高频化、全控化 • PWM控制方式 PWM已成为电力变化的核心技术。 • 控制技术的数字化与智能化 PIC和IPM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。
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
• 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杂的控制技术。
wenku.baidu.com
前景十分广阔的场控电力电子器件。
2020/9/23
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现代电力电子技术
1.2 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）
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 IGBT变频器比 BJT变频器有更大的吸引 力。
现代电力电子技术
第1章 电力电子器件的开关特性
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现代电力电子技术
1.1 电力电子器件 概述
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l－1所 示。
图l－1 电力电子器件“树”
2020/9/23 8
现代电力电子技术
根据器件的不同，开关特性可分为两大类型：半控型器 件和全控型器件。图1－1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两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 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。
2020/9/23 9
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，开发出了功率集成电路 （PIC)和智能功率模块(IPM)，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 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 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
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 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极上的电压信号控制的，控制极电流 极小。