电力电子第二章第六讲

电力电子技术PowerElectronics电力电子技术2.9其它新型电力电子器件静电感应晶体管（SIT，StaticInductionTransistor）：诞生于1970年。是一种多子导电的器件，工作频率与功率MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。但SIT是在栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，使用不太方便；且通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未得到广泛应用。静电感应晶闸管（SITH，StaticInductionThyristor）：诞生于1972年，因其工作原理与SIT类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流，因此SITH又被称为场控晶闸管（FCT，FieldControlledThyristor）。SITH是两种载流子导电的双极型器件，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件；SITH一般也是正常导通型（栅极不加信号时导通），而且其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。电力电子技术2.9.1集成门极换流晶闸管IGCT集成门极换流晶闸管（IGCT，IntegratedGate-CommutatedThyristor）结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当。20世纪90年代后期出现目前的制造水平是6500V/4200A和4500V/5500A，适用于功率1MW～10MW，开关频率50Hz～2kHz范围的应用，已在高压变频调速系统和风力发电系统中得到应用。图2-354500/4000A的IGCT目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.9.1集成门极换流晶闸管2.9.2MOS控制晶闸管2.9.3功率模块和功率集成电路2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术2.9.1集成门极换流晶闸管IGCTIGBT是在大功率晶体管基础上的发展，过流时通过撤除门极电压可关断器件。而IGCT是在晶闸管基础上的发展，其关断机理是通过在门极上施加负的关断电流脉冲，把阳极电流从阴极向门极分流，使原来的PNPN四层结构变成PNP三层结构，从而关断器件。由于负的关断电流脉冲限制，故IGCT有一个能关断的最大阳极电流值，超过此值器件便关不断，出现“直通”现象，器件的额定电流就定义为这个最大可关断电流。目前，国产IGCT产品刚刚跨入应用之门，还在等待实际应用的结果。应用好IGCT，本身就是一项复杂艰巨的系统工程。当前主要的问题是没有实际经验，缺乏成熟的组件或装置拓扑。这些需要从事系统和线路设计的工程师们投入足够的精力。目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.9.1集成门极换流晶闸管2.9.2MOS控制晶闸管2.9.3功率模块和功率集成电路2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术电力电子技术电力电子技术由MOSFET与晶闸管复合而成的新型双极复合型器件。每个MCT器件由成千上万的MCT元组成，而每个MCT元又是由1个晶闸管、1个控制MCT导通的MOSFET和1个控制MCT关断的MOSFET组成。MCT的通态电阻远低于其它场效应器。MCT既具备功率MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是GTR的1/3，而开关速度则超过GTR。此外，由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面积通断，故MCT具有很强的导通di/dt和阻断du/dt能力，其值高达2000A/μs和2000V/μs。其工作结温亦高达150-200℃，被认为是目前众多的新型功率器件中很有发展前途的器件。2.9.2MOS控制晶闸管(MCT)目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.9.1集成门极换流晶闸管2.9.2MOS控制晶闸管2.9.3功率模块和功率集成电路2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术2.9.3功率模块和功率集成电路将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（PIC，PowerIntegratedCircuit）。根据性能侧重、要求：高压集成电路（HVIC）、智能功率集成电路（SPIC）、智能功率模块（IPM）其优点系统成本低，重量轻，体积小，寄生电感低，提高电力电子变化和控制的可靠性。功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.9.1集成门极换流晶闸管2.9.2MOS控制晶闸管2.9.3功率模块和功率集成电路2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术IPM电力电子技术2.10电力电子器件的发展趋势新型电力电子器件呈现出许多优势，其发展主要有以下特点：1）集成化具有主回路、控制回路、检测、保护功能于一体的智能功率集成电路发展迅速，其中IGBT的智能化模块IPM已得到了广泛的应用。2）大容量GTO是容量上与晶闸管最接近的具有自关断能力的器件，但存在缺点和问题。由于IGBT、IGCT等器件的大容量化及实用化，在更多的领域，IGBT和IGCT将取代GTO。3）高频化GTO的工作频率为1～2kHz，GTR可在10kHz以下工作，IGBT工作频率已达150kHz。工作频率的高频化，可大大减小电路中电压器和滤波电感、电容的体积，使装置小型化、轻量化。目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.9.1集成门极换流晶闸管2.9.2MOS控制晶闸管2.9.3功率模块和功率集成电路2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术4）高效率电力电子器件的导通压降在不断的改善，降低了导通损耗。同时开通和关断过程的加快，也降低了开关损耗。以上所述各种电力电子器件一般是由硅半导体材料制成的。除此之外，近年来还出现了一些性能优良的新型化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）和碳化硅（SiC）。由它们作为基础材料制成的电力电子器件正不断涌现。2.10电力电子器件的发展趋势目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.9.1集成门极换流晶闸管2.9.2MOS控制晶闸管2.9.3功率模块和功率集成电路2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术砷化镓材料砷化镓是一种很有发展前景的半导体材料。与硅相比，砷化镓有两个优点：砷化镓整流元件可在350℃的高温下工作（硅整流元件只能达200℃），具有很好的耐高温特性，有利于模块小型化；砷化镓材料的电子迁移率是硅材料的5倍，因而同容量的器件几何尺寸更小，从而可减小寄生电容，提高开关频率（1MHz以上）。其缺点是正向压降比较大。砷化镓整流元件已由Motorola公司生产，并应用于制作各种输出电压（12V、24V、36V、48V）的直流电源，用于通信设备和计算机中。2.10电力电子器件的发展趋势目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.9.1集成门极换流晶闸管2.9.2MOS控制晶闸管2.9.3功率模块和功率集成电路2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术碳化硅材料碳化硅作为硅和砷化镓的重要补充，不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用于硅器件难以胜任的场合，或在一般应用中实现硅器件难以达到的效果。在额定阻断电压相同的前提下，碳化硅功率开关器件不但通态电阻很低，其工作频率一般也要比硅器件高10倍以上。2.10电力电子器件的发展趋势目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.9.1集成门极换流晶闸管2.9.2MOS控制晶闸管2.9.3功率模块和功率集成电路2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术由于单极功率器件的通态电阻随其阻断电压的提高而迅速增大，硅材料的PowerMOSFET只在电压等级不超过100V时才有开关较大电流的能力，具有较好的性能价格比。如果用碳化硅制造单极性器件，在阻断电压高达10kV的情况下，其通态压降仍然会比硅双极器件低，而单极器件在工作频率等方面相对于双极器件有很多明显的优势。因此，对碳化硅电力电子器件的研究和开发，从一开始就比较集中于肖特基势垒二极管和PowerMOSFET这些单极性器件，其总体效益远远超过碳化硅器件与硅器件之间的价格差异造成的成本升高。2.10电力电子器件的发展趋势目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.9.1集成门极换流晶闸管2.9.2MOS控制晶闸管2.9.3功率模块和功率集成电路2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术2.10电力电子器件的发展趋势目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.9.1集成门极换流晶闸管2.9.2MOS控制晶闸管2.9.3功率模块和功率集成电路2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术2.11电力电子器件应用共性问题1．过电压保护电力电子装置可能的过电压原因分为外因和内因。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，如由分闸、合闸等开关操作引起过电压。而内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程：（1）换相过电压晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会因线路电感在器件两端感应出过电压；（2）关断过电压全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题2.11.1电力电