中文名 | 電力電子器件 | 外文名 | Power Electronic Device |
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又????稱 | 功率半導(dǎo)體器件 | 類????型 | 電子器件 |
20世紀(jì)50年代,電力電子器件主要是汞弧閘流管和大功率電子管。60年代發(fā)展起來的晶閘管,因其工作可靠、壽命長、體積小、開關(guān)速度快,而在電力電子電路中得到廣泛應(yīng)用。70年代初期,已逐步取代了汞弧閘流管。80年代,普通晶閘管的開關(guān)電流已達(dá)數(shù)千安,能承受的正、反向工作電壓達(dá)數(shù)千伏。在此基礎(chǔ)上,為適應(yīng)電力電子技術(shù)發(fā)展的需要,又開發(fā)出門極可關(guān)斷晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管等一系列派生器件,以及單極型MOS功率場效應(yīng)晶體管、雙極型功率晶體管、靜電感應(yīng)晶閘管、功能組合模塊和功率集成電路等新型電力電子器件。
各種電力電子器件均具有導(dǎo)通和阻斷兩種工作特性。功率二極管是二端(陰極和陽極)器件,其器件電流由伏安特性決定,除了改變加在二端間的電壓外,無法控制其陽極電流,故稱不可控器件。普通晶閘管是三端器件,其門極信號(hào)能控制元件的導(dǎo)通,但不能控制其關(guān)斷,稱半控型器件。可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管等器件,其門極信號(hào)既能控制器件的導(dǎo)通,又能控制其關(guān)斷,稱全控型器件。后兩類器件控制靈活,電路簡單,開關(guān)速度快,廣泛應(yīng)用于整流、逆變、斬波電路中,是電動(dòng)機(jī)調(diào)速、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、感應(yīng)加熱、電鍍、電解電源、直接輸電等電力電子裝置中的核心部件。這些器件構(gòu)成裝置不僅體積小、工作可靠,而且節(jié)能效果十分明顯(一般可節(jié)電10%~40%)。
單個(gè)電力電子器件能承受的正、反向電壓是一定的,能通過的電流大小也是一定的。因此,由單個(gè)電力電子器件組成的電力電子裝置容量受到限制。所以,在實(shí)用中多用幾個(gè)電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)形成組件,其耐壓和通流的能力可以成倍地提高,從而可極大地增加電力電子裝置的容量。器件串聯(lián)時(shí),希望各元件能承受同樣的正、反向電壓;并聯(lián)時(shí)則希望各元件能分擔(dān)同樣的電流。但由于器件的個(gè)異性,串、并聯(lián)時(shí),各器件并不能完全均勻地分擔(dān)電壓和電流。所以,在電力電子器件串聯(lián)時(shí),要采取均壓措施;在并聯(lián)時(shí),要采取均流措施。
電力電子器件工作時(shí),會(huì)因功率損耗引起器件發(fā)熱、升溫。器件溫度過高將縮短壽命,甚至燒毀,這是限制電力電子器件電流、電壓容量的主要原因。為此,必須考慮器件的冷卻問題。常用冷卻方式有自冷式、風(fēng)冷式、液冷式(包括油冷式、水冷式)和蒸發(fā)冷卻式等。
按照電力電子器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度分類:
1.半控型器件,例如晶閘管;
2.全控型器件,例如GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、GTR(電力晶體管),Power MOSFET(電力場效應(yīng)晶體管)、IGBT(絕緣柵雙極晶體管);
3.不可控器件,例如電力二極管。
按照驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)分類:
1.電壓驅(qū)動(dòng)型器件,例如IGBT、Power MOSFET、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管);
2.電流驅(qū)動(dòng)型器件,例如晶閘管、GTO、GTR。
根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間的有效信號(hào)波形分類:
1.脈沖觸發(fā)型,例如晶閘管、GTO;
2.電子控制型,例如GTR、PowerMOSFET、IGBT。
按照電力電子器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分類:
1.雙極型器件,例如電力二極管、晶閘管、GTO、GTR;
2.單極型器件,例如PowerMOSFET、SIT、肖特基勢(shì)壘二極管;
3.復(fù)合型器件,例如MCT(MOS控制晶閘管)、IGBT、SITH和IGCT。
電力二極管:結(jié)構(gòu)和原理簡單,工作可靠;
晶閘管:承受電壓和電流容量在所有器件中最高
IGBT:開關(guān)速度高,開關(guān)損耗小,具有耐脈沖電流沖擊的能力,通態(tài)壓降較低,輸入阻抗高,為電壓驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)功率??;缺點(diǎn):開關(guān)速度低于電力MOSFET,電壓,電流容量不及GTO
GTR:耐壓高,電流大,開關(guān)特性好,通流能力強(qiáng),飽和壓降低;缺點(diǎn):開關(guān)速度低,為電流驅(qū)動(dòng),所需驅(qū)動(dòng)功率大,驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜,存在二次擊穿問題
GTO:電壓、電流容量大,適用于大功率場合,具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),其通流能力很強(qiáng);缺點(diǎn):電流關(guān)斷增益很小,關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流大,開關(guān)速度低,驅(qū)動(dòng)功率大,驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜,開關(guān)頻率低
電力MOSFET:開關(guān)速度快,輸入阻抗高,熱穩(wěn)定性好,所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡單,工作頻率高,不存在二次擊穿問題;缺點(diǎn):電流容量小,耐壓低,一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。
制約因素:耐壓,電流容量,開關(guān)的速度 。
1 開關(guān)器件,在switch的過程中的損耗,recovery什么的 2 開關(guān)器件在導(dǎo)通時(shí)的損耗 (器件具體損耗要看手冊(cè)并且根據(jù)提供者給出的軟件仿真測試)...
【1】按能被控制電路信號(hào)控制的程度可以分為: 半控型器件:就是通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通擔(dān)不可控制其關(guān)斷的電力電子器件 例如晶閘管 全控型器件:就是通過控制信號(hào)既可以控制器導(dǎo)通...
秋學(xué)期我們也有這門課,但我沒選這門課,所以沒辦法提出具體建議,下面這是我們學(xué)校這門課的教學(xué)大綱,你參考一下,希望有幫助!課程編號(hào):1011022 課程名稱:電力電子技...
20世紀(jì)50年代,電力電子器件主要是汞弧閘流管和大功率電子管。60年代發(fā)展起來的晶閘管,因其工作可靠、壽命長、體積小、開關(guān)速度快,而在電力電子電路中得到廣泛應(yīng)用。70年代初期,已逐步取代了汞弧閘流管。80年代,普通晶閘管的開關(guān)電流已達(dá)數(shù)千安,能承受的正、反向工作電壓達(dá)數(shù)千伏。在此基礎(chǔ)上,為適應(yīng)電力電子技術(shù)發(fā)展的需要,又開發(fā)出門極可關(guān)斷晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管等一系列派生器件,以及單極型MOS功率場效應(yīng)晶體管、雙極型功率晶體管、靜電感應(yīng)晶閘管、功能組合模塊和功率集成電路等新型電力電子器件。
各種電力電子器件均具有導(dǎo)通和阻斷兩種工作特性。功率二極管是二端(陰極和陽極)器件,其器件電流由伏安特性決定,除了改變加在二端間的電壓外,無法控制其陽極電流,故稱不可控器件。普通晶閘管是三端器件,其門極信號(hào)能控制元件的導(dǎo)通,但不能控制其關(guān)斷,稱半控型器件??申P(guān)斷晶閘管、功率晶體管等器件,其門極信號(hào)既能控制器件的導(dǎo)通,又能控制其關(guān)斷,稱全控型器件。后兩類器件控制靈活,電路簡單,開關(guān)速度快,廣泛應(yīng)用于整流、逆變、斬波電路中,是電動(dòng)機(jī)調(diào)速、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、感應(yīng)加熱、電鍍、電解電源、直接輸電等電力電子裝置中的核心部件。這些器件構(gòu)成裝置不僅體積小、工作可靠,而且節(jié)能效果十分明顯(一般可節(jié)電10%~40%)。
單個(gè)電力電子器件能承受的正、反向電壓是一定的,能通過的電流大小也是一定的。因此,由單個(gè)電力電子器件組成的電力電子裝置容量受到限制。所以,在實(shí)用中多用幾個(gè)電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)形成組件,其耐壓和通流的能力可以成倍地提高,從而可極大地增加電力電子裝置的容量。器件串聯(lián)時(shí),希望各元件能承受同樣的正、反向電壓;并聯(lián)時(shí)則希望各元件能分擔(dān)同樣的電流。但由于器件的個(gè)異性,串、并聯(lián)時(shí),各器件并不能完全均勻地分擔(dān)電壓和電流。所以,在電力電子器件串聯(lián)時(shí),要采取均壓措施;在并聯(lián)時(shí),要采取均流措施。
電力電子器件工作時(shí),會(huì)因功率損耗引起器件發(fā)熱、升溫。器件溫度過高將縮短壽命,甚至燒毀,這是限制電力電子器件電流、電壓容量的主要原因。為此,必須考慮器件的冷卻問題。常用冷卻方式有自冷式、風(fēng)冷式、液冷式(包括油冷式、水冷式)和蒸發(fā)冷卻式等。
功率器件幾乎用于所有的電子制造業(yè),包括計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的筆記本、PC、服務(wù)器、顯示器以及各種外設(shè);網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的手機(jī)、電話以及其它各種終端和局端設(shè)備;消費(fèi)電子領(lǐng)域的傳統(tǒng)黑白家電和各種數(shù)碼產(chǎn)品;工業(yè)控制類中的工業(yè)PC、各類儀器儀表和各類控制設(shè)備等。
除了保證這些設(shè)備的正常運(yùn)行以外,功率器件還能起到有效的節(jié)能作用。由于電子產(chǎn)品的需求以及能效要求的不斷提高,中國功率器件市場一直保持較快的發(fā)展速度。
國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,2010年中國功率器件行業(yè)共有規(guī)模以上企業(yè)498家,全行業(yè)實(shí)現(xiàn)銷售收入1015.11億元,同比增長6.86%;實(shí)現(xiàn)利潤總額85.27億元,同比增長47.54%。從企業(yè)經(jīng)濟(jì)類型來看,三資企業(yè)數(shù)量最多,其企業(yè)數(shù)量占行業(yè)數(shù)量的47.19%。從企業(yè)數(shù)量、銷售收入以及資產(chǎn)規(guī)模來看,江蘇、廣東和浙江等省所占的份額居多。
功率器件幾乎用于所有的電子制造業(yè),包括計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的筆記本、PC、服務(wù)器、顯示器以及各種外設(shè);網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的手機(jī)、電話以及其它各種終端和局端設(shè)備;消費(fèi)電子領(lǐng)域的傳統(tǒng)黑白家電和各種數(shù)碼產(chǎn)品;工業(yè)控制類中的工業(yè)PC、各類儀器儀表和各類控制設(shè)備等。
除了保證這些設(shè)備的正常運(yùn)行以外,功率器件還能起到有效的節(jié)能作用。由于電子產(chǎn)品的需求以及能效要求的不斷提高,中國功率器件市場一直保持較快的發(fā)展速度。
國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,2010年中國功率器件行業(yè)共有規(guī)模以上企業(yè)498家,全行業(yè)實(shí)現(xiàn)銷售收入1015.11億元,同比增長6.86%;實(shí)現(xiàn)利潤總額85.27億元,同比增長47.54%。從企業(yè)經(jīng)濟(jì)類型來看,三資企業(yè)數(shù)量最多,其企業(yè)數(shù)量占行業(yè)數(shù)量的47.19%。從企業(yè)數(shù)量、銷售收入以及資產(chǎn)規(guī)模來看,江蘇、廣東和浙江等省所占的份額居多 。
電力電子器件正沿著大功率化、高頻化、集成化的方向發(fā)展。80年代晶閘管的電流容量已達(dá)6000安,阻斷電壓高達(dá)6500伏。但這類器件工作頻率較低。提高其工作頻率,取決于器件關(guān)斷期間如何加快基區(qū)少數(shù)載流子(簡稱少子)的復(fù)合速度和經(jīng)門極抽取更多的載流子。降低少子壽命雖能有效地縮短關(guān)斷電流的過程,卻導(dǎo)致器件導(dǎo)通期正向壓降的增加。因此必須兼顧轉(zhuǎn)換速度和器件通態(tài)功率損耗的要求。80年代這類器件的最高工作頻率在 10千赫以下。雙極型大功率晶體管可以在100千赫頻率下工作,其控制電流容量已達(dá)數(shù)百安,阻斷電壓1千多伏,但維持通態(tài)比其他功率可控器件需要更大的基極驅(qū)動(dòng)電流。由于存在熱激發(fā)二次擊穿現(xiàn)象,限制它的抗浪涌能力。進(jìn)一步提高其工作頻率仍然受到基區(qū)和集電區(qū)少子儲(chǔ)存效應(yīng)的影響。70年代中期發(fā)展起來的單極型MOS功率場效應(yīng)晶體管, 由于不受少子儲(chǔ)存效應(yīng)的限制,能夠在兆赫以上的頻率下工作。這種器件的導(dǎo)通電流具有負(fù)溫度特性,不易出現(xiàn)熱激發(fā)二次擊穿現(xiàn)象;需要擴(kuò)大電流容量時(shí),器件并聯(lián)簡單,且具有較好的線性輸出特性和較小的驅(qū)動(dòng)功率;在制造工藝上便于大規(guī)模集成。但它的通態(tài)壓降較大,制造時(shí)對(duì)材料和器件工藝的一致性要求較高。到80 年代中、后期電流容量僅達(dá)數(shù)十安,阻斷電壓近千伏。
從60年代到70年代初期,以半控型普通晶閘管為代表的電力電子器件,主要用于相控電路。這些電路十分廣泛地用在電解、電鍍、直流電機(jī)傳動(dòng)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁等整流裝置中,與傳統(tǒng)的汞弧整流裝置相比,不僅體積小、工作可靠,而且取得了十分明顯的節(jié)能效果(一般可節(jié)電10~40%,從中國的實(shí)際看,因風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載約占全國用電量的1/3,若采用交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng), 可平均節(jié)電20%以上,每年可節(jié)電400億千瓦時(shí)),因此電力電子技術(shù)的發(fā)展也越來越受到人們的重視。70年代中期出現(xiàn)的全控型可關(guān)斷晶閘管和功率晶體管,開關(guān)速度快,控制簡單,逆導(dǎo)可關(guān)斷晶閘管更兼容了可關(guān)斷晶閘管和快速整流二極管的功能。它們把電力電子技術(shù)的應(yīng)用推進(jìn)到了以逆變、斬波為中心內(nèi)容的新領(lǐng)域。這些器件已普遍應(yīng)用于變頻調(diào)速、開關(guān)電源、靜止變頻等電力電子裝置中。
80年代初期出現(xiàn)的 MOS功率場效應(yīng)晶體管和功率集成電路的工作頻率達(dá)到兆赫級(jí)。集成電路的技術(shù)促進(jìn)了器件的小型化和功能化。這些新成就為發(fā)展高頻電力電子技術(shù)提供了條件,推動(dòng)電力電子裝置朝著智能化、高頻化的方向發(fā)展。
80年代發(fā)展起來的靜電感應(yīng)晶閘管、隔離柵晶體管,以及各種組合器件,綜合了晶閘管、 MOS功率場效應(yīng)晶體管和功率晶體管各自的優(yōu)點(diǎn),在性能上又有新的發(fā)展。例如隔離柵晶體管,既具有MOS功率場效應(yīng)晶體管的柵控特性,又具有雙極型功率晶體管的電流傳導(dǎo)性能,它容許的電流密度比雙極型功率晶體管高幾倍。靜電感應(yīng)晶閘管保存了晶閘管導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn),結(jié)構(gòu)上避免了一般晶閘管在門極觸發(fā)時(shí)必須在門極周圍先導(dǎo)通然后逐步橫向擴(kuò)展的過程,所以比一般晶閘管有更高的開關(guān)速度,而且容許的結(jié)溫升也比普通晶閘管高。這些新器件,在更高的頻率范圍內(nèi)滿足了電力電子技術(shù)的要求。
功率集成電路指在一個(gè)芯片上把多個(gè)器件及其控制電路集合在一起。其制造工藝既概括了第一代功率電子器件向大電流、高電壓發(fā)展過程中所積累起來的各種經(jīng)驗(yàn),又綜合了大規(guī)模集成電路的工藝特點(diǎn)。這種器件由于很大程度地縮小了器件及其控制電路的體積,因而能夠有效地減少當(dāng)器件處于高頻工作狀態(tài)時(shí)寄生參數(shù)的影響,這對(duì)提高電路工作頻率和抑制外界干擾十分重要。
2014年,美國奧巴馬政府連同企業(yè)一道投資1.4億美元在NCSU成立The Next Generation Power Electronics Institute ,發(fā)展新一代寬禁帶電力半導(dǎo)體器件 。
電力二極管:結(jié)構(gòu)和原理簡單,工作可靠;
晶閘管:承受電壓和電流容量在所有器件中最高
IGBT:開關(guān)速度高,開關(guān)損耗小,具有耐脈沖電流沖擊的能力,通態(tài)壓降較低,輸入阻抗高,為電壓驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)功率小;缺點(diǎn):開關(guān)速度低于電力MOSFET,電壓,電流容量不及GTO
GTR:耐壓高,電流大,開關(guān)特性好,通流能力強(qiáng),飽和壓降低;缺點(diǎn):開關(guān)速度低,為電流驅(qū)動(dòng),所需驅(qū)動(dòng)功率大,驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜,存在二次擊穿問題
GTO:電壓、電流容量大,適用于大功率場合,具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),其通流能力很強(qiáng);缺點(diǎn):電流關(guān)斷增益很小,關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流大,開關(guān)速度低,驅(qū)動(dòng)功率大,驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜,開關(guān)頻率低
MOSFET:開關(guān)速度快,輸入阻抗高,熱穩(wěn)定性好,所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡單,工作頻率高,不存在二次擊穿問題;缺點(diǎn):電流容量小,耐壓低,一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。
制約因素:耐壓,電流容量,開關(guān)的速度。
按照電力電子器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度分類:
1.半控型器件,例如晶閘管;
2.全控型器件,例如GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、GTR(電力晶體管),MOSFET(電力場效應(yīng)晶體管)、IGBT(絕緣柵雙極晶體管);
3.不可控器件,例如電力二極管;
按照驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)分類:
1.電壓驅(qū)動(dòng)型器件,例如IGBT、MOSFET、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管);
2.電流驅(qū)動(dòng)型器件,例如晶閘管、GTO、GTR;
根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間的有效信號(hào)波形分類:
1.脈沖觸發(fā)型,例如晶閘管、GTO;
2.電子控制型,例如GTR、MOSFET、IGBT;
按照電力電子器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分類:
1.雙極型器件,例如電力二極管、晶閘管、GTO、GTR;
2.單極型器件,例如MOSFET、SIT;
3.復(fù)合型器件,例如MCT(MOS控制晶閘管)和IGBT;
事實(shí)表明,無論是電力、機(jī)械、礦冶、交通、石油、能源、化工、輕紡等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),還是通信、激光、機(jī)器人、環(huán)保、原子能、航天等高技術(shù)產(chǎn)業(yè),都迫切需要高質(zhì)量、高效率的電能。而電力電子正是將各種一次能源高效率地變?yōu)槿藗兯璧碾娔?,?shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和提高人民生活質(zhì)量的重要手段,它已經(jīng)成為弱電控制與強(qiáng)電運(yùn)行之間、信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)之間、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化改造和興建高科技產(chǎn)業(yè)之間不可缺少的重要橋梁。而新型電力電子器件的出現(xiàn),總是帶來一場電力電子技術(shù)的革命。電力電子器件就好像現(xiàn)代電力電子裝置的心臟,它對(duì)裝置的總價(jià)值,尺寸、重量、動(dòng)態(tài)性能,過載能力,耐用性及可靠性等,起著十分重要的作用 。
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電力電子器件正沿著大功率化、高頻化、集成化的方向發(fā)展。80年代晶閘管的電流容量已達(dá)6000安,阻斷電壓高達(dá)6500伏。但這類器件工作頻率較低。提高其工作頻率,取決于器件關(guān)斷期間如何加快基區(qū)少數(shù)載流子(簡稱少子)的復(fù)合速度和經(jīng)門極抽取更多的載流子。降低少子壽命雖能有效地縮短關(guān)斷電流的過程,卻導(dǎo)致器件導(dǎo)通期正向壓降的增加。因此必須兼顧轉(zhuǎn)換速度和器件通態(tài)功率損耗的要求。80年代這類器件的最高工作頻率在 10千赫以下。雙極型大功率晶體管可以在100千赫頻率下工作,其控制電流容量已達(dá)數(shù)百安,阻斷電壓1千多伏,但維持通態(tài)比其他功率可控器件需要更大的基極驅(qū)動(dòng)電流。由于存在熱激發(fā)二次擊穿現(xiàn)象,限制它的抗浪涌能力。進(jìn)一步提高其工作頻率仍然受到基區(qū)和集電區(qū)少子儲(chǔ)存效應(yīng)的影響。70年代中期發(fā)展起來的單極型MOS功率場效應(yīng)晶體管, 由于不受少子儲(chǔ)存效應(yīng)的限制,能夠在兆赫以上的頻率下工作。這種器件的導(dǎo)通電流具有負(fù)溫度特性,不易出現(xiàn)熱激發(fā)二次擊穿現(xiàn)象;需要擴(kuò)大電流容量時(shí),器件并聯(lián)簡單,且具有較好的線性輸出特性和較小的驅(qū)動(dòng)功率;在制造工藝上便于大規(guī)模集成。但它的通態(tài)壓降較大,制造時(shí)對(duì)材料和器件工藝的一致性要求較高。到80 年代中、后期電流容量僅達(dá)數(shù)十安,阻斷電壓近千伏。
從60年代到70年代初期
從60年代到70年代初期,以半控型普通晶閘管為代表的電力電子器件,主要用于相控電路。這些電路十分廣泛地用在電解、電鍍、直流電機(jī)傳動(dòng)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁等整流裝置中,與傳統(tǒng)的汞弧整流裝置相比,不僅體積小、工作可靠,而且取得了十分明顯的節(jié)能效果(一般可節(jié)電10~40%,從中國的實(shí)際看,因風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載約占全國用電量的1/3,若采用交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng), 可平均節(jié)電20%以上,每年可節(jié)電400億千瓦時(shí)),因此電力電子技術(shù)的發(fā)展也越來越受到人們的重視。70年代中期出現(xiàn)的全控型可關(guān)斷晶閘管和功率晶體管,開關(guān)速度快,控制簡單,逆導(dǎo)可關(guān)斷晶閘管更兼容了可關(guān)斷晶閘管和快速整流二極管的功能。它們把電力電子技術(shù)的應(yīng)用推進(jìn)到了以逆變、斬波為中心內(nèi)容的新領(lǐng)域。這些器件已普遍應(yīng)用于變頻調(diào)速、開關(guān)電源、靜止變頻等電力電子裝置中。
80年代初期
80年代初期出現(xiàn)的 MOS功率場效應(yīng)晶體管和功率集成電路的工作頻率達(dá)到兆赫級(jí)。集成電路的技術(shù)促進(jìn)了器件的小型化和功能化。這些新成就為發(fā)展高頻電力電子技術(shù)提供了條件,推動(dòng)電力電子裝置朝著智能化、高頻化的方向發(fā)展。
80年代發(fā)展起來的靜電感應(yīng)晶閘管、隔離柵晶體管,以及各種組合器件,綜合了晶閘管、 MOS功率場效應(yīng)晶體管和功率晶體管各自的優(yōu)點(diǎn),在性能上又有新的發(fā)展。例如隔離柵晶體管,既具有MOS功率場效應(yīng)晶體管的柵控特性,又具有雙極型功率晶體管的電流傳導(dǎo)性能,它容許的電流密度比雙極型功率晶體管高幾倍。靜電感應(yīng)晶閘管保存了晶閘管導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn),結(jié)構(gòu)上避免了一般晶閘管在門極觸發(fā)時(shí)必須在門極周圍先導(dǎo)通然后逐步橫向擴(kuò)展的過程,所以比一般晶閘管有更高的開關(guān)速度,而且容許的結(jié)溫升也比普通晶閘管高。這些新器件,在更高的頻率范圍內(nèi)滿足了電力電子技術(shù)的要求。
功率集成電路指在一個(gè)芯片上把多個(gè)器件及其控制電路集合在一起。其制造工藝既概括了第一代功率電子器件向大電流、高電壓發(fā)展過程中所積累起來的各種經(jīng)驗(yàn),又綜合了大規(guī)模集成電路的工藝特點(diǎn)。這種器件由于很大程度地縮小了器件及其控制電路的體積,因而能夠有效地減少當(dāng)器件處于高頻工作狀態(tài)時(shí)寄生參數(shù)的影響,這對(duì)提高電路工作頻率和抑制外界干擾十分重要。
近期進(jìn)展
2014年,美國奧巴馬政府連同企業(yè)一道投資1.4億美元在NCSU成立The Next Generation Power Electronics Institute,發(fā)展新一代寬禁帶電力半導(dǎo)體器件。
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在通俗概念中認(rèn)為中國在科技技術(shù)方面發(fā)展較晚,而根據(jù)現(xiàn)階段的研究發(fā)現(xiàn),自從改革開放始,在進(jìn)入21世紀(jì)之前,中國在科技技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)有了很大進(jìn)展,基本上可以與世界同步;加入WTO以后中國在電力電子方面的發(fā)展速度更快、原創(chuàng)性的產(chǎn)品也在不斷出現(xiàn),當(dāng)前電力工業(yè)之所以能夠領(lǐng)先于世界也是這種快速發(fā)展與不斷創(chuàng)新產(chǎn)生的直接結(jié)果。以下選取電力電器件作為主題,先說明電力電子器件的基本類型、性能,再通過對(duì)其中的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、器件保護(hù)等方面對(duì)它的運(yùn)用加以討論。
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引 言 電力電子技術(shù)包括功率半導(dǎo)體器件與 IC 技術(shù)、功率變換技術(shù)及控制技術(shù)等幾個(gè)方面 , 其中電力電子器件是電力電子技術(shù)的重要基礎(chǔ) ,也是電力電子技術(shù)發(fā)展的“龍頭” 。從 年 美國通用電氣 公司研制出世界上第一個(gè)工業(yè)用普通晶閘管開始 ,電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn) 的變流機(jī)組和靜止的離子變流器進(jìn)入由電力電子器件構(gòu)成的變流器時(shí)代 ,這標(biāo)志著電力電子 技術(shù)的誕生。到了 70 年代 ,晶閘管開始形成由低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品。同時(shí) , 非對(duì)稱晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等晶閘管派生器件相繼問世 ,廣泛應(yīng) 用于各種變流裝置。由于它們具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn) ,其研 制及應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。由于普通晶閘管不能自關(guān)斷 ,屬于半控型器件 ,因而被稱作第一代 電力電子器件。 在實(shí)際需要的推動(dòng)下 ,隨著理論研究和工藝水平的不斷提高 ,電力電子器件在 容量和類型等方面
前言
緒論
一、電力電子器件的概念和特征
二、電力電子器件的分類
三、電力電子器件的發(fā)展歷程
四、電力電子器件的應(yīng)用
第一章電力電子器件
第一節(jié)不可控器件——功率二極管
一、工作原理
二、功率二極管的伏安特性
三、功率二極管的主要參數(shù)和選用
四、功率二極管的主要類型
第二節(jié)半控型器件——晶閘管
一、晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理
二、晶閘管的伏安特性
三、晶閘管的主要參數(shù)和選用
四、晶閘管的派生器件
五、晶閘管的命名和簡單測試
實(shí)驗(yàn)晶閘管的簡易測試及導(dǎo)通關(guān)斷條件
第三節(jié)全控型器件
一、GTO晶閘管
二、GTR
三、功率MOSFET
四、IGBT
五、其他新型電力電子器件
實(shí)驗(yàn)一GTR和功率MOSFET的簡易測試
實(shí)驗(yàn)二全控型器件特性實(shí)驗(yàn)
第四節(jié)電力電子器件的保護(hù)
一、過電流保護(hù)
二、過電壓保護(hù)
三、緩沖電路
四、散熱
復(fù)習(xí)思考題
第二章電力電子器件的驅(qū)動(dòng)
第一節(jié)晶閘管觸發(fā)電路
一、晶閘管觸發(fā)電路概述
二、簡易觸發(fā)電路
三、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路
四、鋸齒波同步移相觸發(fā)電路
五、集成觸發(fā)器
實(shí)驗(yàn)一簡易觸發(fā)電路
實(shí)驗(yàn)二單結(jié)晶體管觸發(fā)電路
實(shí)驗(yàn)三鋸齒波同步移相觸發(fā)電路
實(shí)驗(yàn)四西門子TCA785觸發(fā)電路
第二節(jié)全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路
一、GT0晶閘管門極驅(qū)動(dòng)電路
二、GTR基極驅(qū)動(dòng)電路
三、功率MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路
四、IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路
實(shí)驗(yàn)一GTO晶閘管驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路
實(shí)驗(yàn)二功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路
實(shí)驗(yàn)三IGBT驅(qū)動(dòng)電路
復(fù)習(xí)思考題
第三章整流電路
第一節(jié)單相可控整流電路
一、單相半波可控整流電路
二、單相橋式全控整流電路
三、單相橋式半控整流電路
實(shí)驗(yàn)一單相橋式半控整流電路
實(shí)驗(yàn)二單相橋式全控整流電路
第二節(jié)三相可控整流電路
一、三相半波可控整流電路
二、三相橋式全控整流電路
實(shí)驗(yàn)三相橋式全控整流電路
第三節(jié)整流器件的選擇
一、整流器件額定電壓的確定
二、晶閘管額定電流的確定
復(fù)習(xí)思考題
第四章交流電力電子開關(guān)與交流調(diào)壓電路
第一節(jié)交流電力電子開關(guān)電路
一、晶閘管交流開關(guān)的基本形式
二、固態(tài)開關(guān)
第二節(jié)單相交流調(diào)壓電路及調(diào)功電路
一、單相交流調(diào)壓電路的工作原理
二、幾種交流調(diào)壓的觸發(fā)電路
三、交流調(diào)功電路
實(shí)驗(yàn)一單結(jié)晶體管觸發(fā)的單相交流調(diào)壓電路
實(shí)驗(yàn)二單相交流調(diào)功電路
實(shí)驗(yàn)三Kc06觸發(fā)的單相交流調(diào)壓電路
第三節(jié)三相交流調(diào)壓電路
一、三相交流調(diào)壓電路
二、三相交流調(diào)壓電路應(yīng)用實(shí)例
復(fù)習(xí)思考題
第五章直流電壓變換電路
第一節(jié)直流電壓變換電路的基本工作原理及分類
一、直流電壓變換電路的基本工作原理
二、直流電壓變換電路的分類
第二節(jié)直流電壓變換電路
一、基本直流電壓變換電路
二、復(fù)合直流電壓變換電路
第三節(jié)直流電壓變換電路的PwM控制
一、PwM控制器集成芯片sG3525簡介
二、sG3525的工作原理
第四節(jié)直流電壓變換電路的應(yīng)用
一、直流電壓變換電路在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用
二、開關(guān)電源
實(shí)驗(yàn)直流電壓變換電路
復(fù)習(xí)思考題
第六章逆變與變頻電路
第一節(jié)逆變與變頻
一、有源逆變
二、逆變電路的基本工作原理
三、電壓型逆變電路
四、電流型逆變電路
五、變頻電路
實(shí)驗(yàn)IGBT單相并聯(lián)逆變電路
第二節(jié)PwM型變頻電路
一、PwM型變頻電路概述
二、單相PwM型變頻電路
實(shí)驗(yàn)單相交-直-交變頻電路
復(fù)習(xí)思考題
參考文獻(xiàn)
……
電力電子器件的串并聯(lián)聯(lián)接應(yīng)用
同型號(hào)的電力電子器件串聯(lián)時(shí),總希望各元件能承受同樣的正、反向電壓;并聯(lián)時(shí),則希望各元件能分擔(dān)同樣的電流。但由于電力電子器件特性的個(gè)異性(即分散性),即使相同型號(hào)規(guī)格的電力電子器件,其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)伏安特性亦不相同,所以串、并聯(lián)時(shí),各器件并不能完全均勻地分擔(dān)電壓和電流。串聯(lián)時(shí),承受電壓最高的電力電子器件最易擊穿。一旦擊穿損壞,它原來所承擔(dān)的電壓又加到其他器件上,可能造成其他元件的過壓損壞。并聯(lián)時(shí),承受電流最大的電力電子器件最易過流,一旦損壞后,它原來所承擔(dān)的電流又加到其他元件上,可能造成其他元件的過流損壞。所以,在電力電子器件串并聯(lián)時(shí),應(yīng)著重考慮串聯(lián)時(shí)器件之間的均壓問題和并聯(lián)時(shí)器件之間的均流問題。
《電力電子器件應(yīng)用》的教學(xué)計(jì)劃和大綱是依據(jù)《國家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)技師的要求制定的,內(nèi)容立足崗位,以“必需、夠用”為度,符合職業(yè)教育的特點(diǎn)和規(guī)律。 《電力電子器件應(yīng)用》配有教學(xué)計(jì)劃和大綱、電子教案、習(xí)題及其解答,可供高級(jí)技校、技師學(xué)院、高等職業(yè)院校等教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)使用。