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1、第3章电力电子器件与变换器3.1电力半导体器件的分类3.1.1按照电力半导体器件发展来分类3.1.2按照电力半导体器件控制方式来分类3.1.3按照电力半导体器件驱动方式分类3.1.4按照电力半导体器件中载流子性质分类3.2电力半导体器件的工作原理及特性3.2.1单PN结器件(二极管)的工作原理与特性3.2.2多PN结器件的工作原理3.2.3多PN结器件的特性3.3电力电子变换器的拓扑结构3.3.1变换器理想开关的定义3.3.2变换器的基本拓扑单元第3章电力电子器件与变换器3.3.3基于器件特性的变换器基本拓扑单元3.3.4两电平拓扑结构3.4多电平电力电子变换器3.4.1多电平变换器基础3.4
2、.2二极管钳位式多电平变换器3.4.3电容悬浮式多电平变换器3.4.4级联式多电平变换器3.4.5多电平统一变换拓扑及瞬态换流回路图3-1一个典型的电力电子变换器装置结构示意图3.1电力半导体器件的分类根据器件所用半导体材料、制造工艺、工作机理及器件开通和关断的控制方式的不同，电力半导体器件有许多种类和不同的分类方式。3.1.1按照电力半导体器件发展来分类1.第一代器件2.第二代器件3.第三代器件1.第一代器件主要以功率二极管(Power Diode)和晶闸管(Thyristor，也称之为Silicon Controlled Rectifier，SCR)为代表，是电力电子技术发展早期的主要器件
3、，是传统电力电子技术的标志。2.第二代器件主要以可关断晶闸管(Gate Turn-off Thyristor，GTO)、大功率晶体管(Giant Transistor，GTR)和功率场控晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)为代表。随着电力电子的发展，对器件的可控性提出了更高的要求，这些器件相对于第一代器件最明显的区别是能够进行可控关断，这也是现代电力电子技术的标志。3.第三代器件主要以高性能的绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、集成门极换流晶闸管
4、(Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT)和智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)等器件为代表。其中，IGBT成为第三代电力电子器件的典型代表。3.1.2按照电力半导体器件控制方式来分类1.不控型2.半控型3.全控型1.不控型这类器件为两端器件，一般其中一端为阳极，另一端为阴极。其开关操作仅取决于施加于器件阳、阴极间的电压，正导通，负关断，流过其中的电流是单方向的。由于其开通和关断不能通过器件本身进行控制，故这类器件称为不控型器件，这类器件主要为各种不同类型的功率二极管，比如大功率二极管、快速恢复二极管和肖特基二极管
5、等。2.半控型这类器件是三端器件，除阳极和阴极外，还增加了一个控制门极。半控型器件也具有单向导电性，其开通不仅需在其阳、阴极间施加正向电压，而且必须在门极和阴极间输入正向可控功率，称之为“开通可控”。然而这类器件一旦开通，就不能再通过门极控制关断，只能从外部改变加在阳、阴极间的电压极性或强制阳极电流变成零，所以把它们称为半控型器件。这类器件主要指晶闸管及其派生器件，如双向型晶闸管、逆导型晶闸管等。3.全控型这一类器件也是带有控制端的三端器件，其控制端不仅可控制其开通，而且也能控制其关断，故称全控型器件。由于不需要外部提供关断条件，仅靠自身控制即可关断，所以这类器件常被称为自关断器件。这类器件种
6、类多，工作机理也不尽相同，包括GTR、GTO、功率MOSFET、IGBT等。3.1.3按照电力半导体器件驱动方式分类1.电流控制型器件2.电压控制型器件1.电流控制型器件电流控制型器件必须有足够的驱动电流才能使器件通断，因而一般情况下需要较大的驱动功率，这类器件有SCR、GTR、GTO等。2.电压控制型器件电压控制型器件的通断只需要有足够的电压和很小的驱动电流就可以，因而电压控制型器件只需很小的驱动功率。这类器件有IGBT、MOSFET等。3.1.4按照电力半导体器件中载流子性质分类1.双极型器件2.单极型器件3.混合型器件1.双极型器件双极型器件是指在器件内部电子和空穴两种载流子都参与导电过
7、程的半导体器件，这类器件的通态压降低、阻断电压高、电流容量大，适用于中大容量的变流装置。常见的有GTR、GTO、GCT(IGCT中的门极换流晶闸管，不包括门极电路)、SITH等。2.单极型器件单极型器件是指器件内只有一种载流子(即多数载流子)参与导电过程的电力半导体器件，典型器件有功率场控晶体管(MOSFET)和静电感应晶体管(SIT，Static Induction Transistor)两种。功率MOSFET为电压控制器件，具有驱动功率小，开关速度高，无二次击穿问题，安全工作区宽等显著特点。这种器件还具有电流负温度系数、良好的电流自动调节能力、良好的热稳定性和较高的抗干扰能力等优点。其缺点
8、是通态电阻大、导通压降较高。另外，由于导电机理和结构的特点，其电流容量和耐压提高难度较大。它常用于中小功率、开关频率较高的变流装置中。3.混合型器件图3-2部分电力半导体器件结构示意图3.2电力半导体器件的工作原理及特性1)不同杂质半导体材料的PN结特性。2)器件内部各PN结相互之间的作用关系。3)器件内部PN结与外界条件之间的作用关系。3.2电力半导体器件的工作原理及特性图3-3部分电力电子开关器件符号示意图3.2.1单PN结器件(二极管)的工作原理与特性1.能级与能带2.电子与空穴3.电离与复合4.少子与多子5.扩散与漂移6.空间电荷区7.正偏与反偏8.少子注入与少子抽出9.电导调制效应1
9、0.通态压降与阻态漏电流11.PN结的电击穿12.PN结的热击穿3.2.1单PN结器件(二极管)的工作原理与特性13.PN结的电容效应14.PN结的电路外特性1.能级与能带图3-4半导体原子内部的电子所处的能级与能带示意图2.电子与空穴图3-5半导体晶体内的自由电子与空穴形成示意图3.电离与复合在本征半导体中，由于晶体本身原子的热运动而不断使价带中的价电子激发到导带，这一过程称之为电子与空穴的“电离”；另一方面，处于导带的自由电子在运动过程中又有可能与空穴相遇，这时，如果它以一定的方式放出原来吸收的能量，就可以返回价带，这称之为电子与空穴的“复合”。在平衡情况下，半导体内部具有确定数目的电子和
10、空穴，这就意味着在单位时间内，电离的载流子数目与复合的数目相等，即电离率与复合率相等，使载流子保持一定的浓度，处于一种动态平衡之中。4.少子与多子图3-6P型半导体和N型半导体5.扩散与漂移图3-7PN结示意图6.空间电荷区扩散运动和漂移运动互相联系又互相矛盾。在一定温度下，当两者达到动态平衡时，正、负空间电荷量达到稳定值，总量不再变化，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，称为空间电荷区。在整个空间电荷区范围内，正、负电荷数量相等，仍保持电中性，这就是PN结。7.正偏与反偏图3-8PN结的正偏置和反偏置8.少子注入与少子抽出当PN结处于正偏置时，在外加电场作用下，扩散运动大于漂移运动，形成扩
11、散电流。由于中和的结果使空间电荷量减少，即使PN结变窄，这种现象称为“少子注入”。在外电路上形成一个流入P区的电流，称为正向电流IF。当外加电压D升高时，PN结内电场被进一步削弱，扩散电流随之增加。正向的PN结表现为一个很小的电阻，可以流过较大的正向电流，称为正向导通。9.电导调制效应少子注入效应是在正偏置时，外电场削弱了内电场，破坏了PN结原有的平衡。从电路的角度，表现为改变了PN结的电阻，即电流增大，电阻减小，该现象称之为“电导调制效应”。少子注入效应也称为非平衡载流子注入效应。双极性器件的电导调制效应是其主要特点之一。10.通态压降与阻态漏电流在PN结正向导通时，可以流过较大的正向电流，
12、表现为短路的状态，但是PN结两端仍存在一定的压降，该压降与PN结的体电阻和势垒都有关系，称之为通态压降，一般用u0表示，约为0.53V。在PN结反向截止时，表现为少子抽出，但由于少数载流子的浓度很小，在一定温度下，漂移电流的数值趋于恒定，表现在外电路上是一个流入N区的反向电流，该电流称为反向饱和电流，也称阻态漏电流，用IS表示，一般为微安级。11.PN结的电击穿图3-9PN结雪崩击穿示意图12.PN结的热击穿PN结的反向电流会随着结温T的上升而增加，这与中性区少数载流子的浓度和空间电荷区产生的电流都会随着温度的上升而加大有关。另外，温度的升高还会对PN结的雪崩击穿电压有影响。为了避免这些热效应
13、严重影响结型器件的稳定性，必须对器件采取有效的散热措施，因而电力电子装置中的电力半导体器件大多安装在散热器上。13.PN结的电容效应图3-10势垒电容和扩散电容随外加电压的变化14.PN结的电路外特性图3-11二极管稳态特性等效电路14.PN结的电路外特性图3-12二极管的伏安特性曲线14.PN结的电路外特性图3-13二极管的正、反向恢复过程3.2.2多PN结器件的工作原理1.大功率晶体管的基本工作原理2.MOSFET的基本工作原理3.IGBT的基本工作原理4.IGCT的基本结构和工作原理3.2.2多PN结器件的工作原理图3-14三种电力半导体器件的结构示意图1.大功率晶体管的基本工作原理图3
14、-15一个PNP型晶体管的结构示意图和符号示意图2.MOSFET的基本工作原理图3-16MOSFET的模拟结构3.IGBT的基本工作原理图3-17IGBT等效电路3.IGBT的基本工作原理表3-1HVIGBT模块CM900HB-90H的基本性能参数4.IGCT的基本结构和工作原理图3-18三种不同类型的IGCT符号表示4.IGCT的基本结构和工作原理图3-19GTO和GCT的剖面示意图4.IGCT的基本结构和工作原理图3-20IGCT的等效示意图4.IGCT的基本结构和工作原理图3-21IGCT的开通和阻断示意图3.2.3多PN结器件的特性1.转移特性2.伏安特性3.擎住效应(又称锁住效应)4
15、.开通与关断过程5.器件的du/dt耐量和di/dt耐量1.转移特性图3-22IGBT的转移特性2.伏安特性伏安特性是指以门射极电压UGE作为参变量，IGBT的集电极电流与集发极之间电压关系的曲线族，如图3-23所示。其中第一象限为通态特性和正向阻态特性，第三象限为反向阻态特性。在一些实际应用中，IGBT中有反并联的二极管，则其反向阻态特性为二极管的通态特性。同样，理想化的IGBT伏安特性如图3-24所示。3.擎住效应(又称锁住效应)图3-23IGBT的伏安特性曲线3.擎住效应(又称锁住效应)图3-24理想化的IGBT伏安特性曲线4.开通与关断过程图3-25IGBT开通与关断的电压电流示意图4
16、.开通与关断过程表3-2多种多PN结电力电子开关器件特性的比较5.器件的du/dt耐量和di/dt耐量在电力半导体器件特性中，不仅要考虑流经器件的最大电流和器件承受的最大电压，电压和电流的变化率也是非常重要的性能参数。3.3电力电子变换器的拓扑结构图3-26具有相同拓扑，但不同器件的逆变电路3.3.1变换器理想开关的定义1)通态时，看成是一个阻值极低的电阻，可以认为阻值为零。2)阻态时，看成是一个阻值极大的电阻，可以认为阻值为无穷大。3)开通和关断，即通态和阻态之间切换时，切换时间为零。4)通态时，至少在一个方向上能流通电流；阻态时，至少能在一个方向承受电压，最理想的开关能够双向流通电流，双向
17、承受电压，即双向可控开关。1)通态时，无论其流经的电流为多大，两端压降为零。2)阻态时，无论其两端承受的电压为多大，流经电流为零。3)开通时，即由阻态向通态转换时，其阻态两端承受的压降在零时间内降为零。3.3.1变换器理想开关的定义4)关断时，即由通态向阻态转换时，其通态流经电流在零时间内降为零。5)双向可控开关，处于通态时，其流通电流方向可正可负；处于阻态时，其两端的承受电压可正可负，即在其电压电流相平面图上，其工作区域为两坐标轴，如图3-27所示。6)相对于实际器件，理想器件还具有这样的特性，即其通态和阻态时间宽度可以无限小(即没有最小脉宽限制)。图3-27双向可控理想开关的开关轨迹 图3
18、-28组合式与非组合式双向可控开关3.3.2变换器的基本拓扑单元1)具有电压源性质的元件，包括电压源、电容等，不能被短路。2)具有电流源性质的元件，包括电流源，电感等，不能被开路。3.3.2变换器的基本拓扑单元图3-29n相输入p相输出开关矩阵变换器3.3.2变换器的基本拓扑单元图3-30Buck和Boost变换器的原理示意图图3-31n相输入p相输出开关矩阵变换器(n=p=1)图3-32电力电子变换器基本拓扑单元的两种形式图3-33变换器的基本拓扑单元图3-34变换器的基本拓扑单元以及开关轨迹图3-35六种基本的DC/DC变换器示意图表3-3六种DC/DC变换器的输出与输入电压的关系3.3.
19、3基于器件特性的变换器基本拓扑单元1)通态时，其流通的电流工作在限制的范围内，两端压降与流经电流相关，一般来说其值很小，称之为通态压降。2)阻态时，其两端承受的电压工作在限制的范围内，其漏电流与两端承受电压相关，一般来说其值很小，称之为阻态漏电流。3)开通时，即由阻态向通态转换时，其阻态两端承受的压降在一定的时间内按照一定的规律变化降为通态压降。4)关断时，即由通态向阻态转换时，其通态流通电流在一定的时间内按照一定的规律变化降为阻态漏电流。5)无论通态或者阻态，其维持时间宽度不能为无限小，即开关器件开通后不能马上关断或者关断后马上开通，这主要是受开关器件恢复特性的影响。3.3.3基于器件特性的
20、变换器基本拓扑单元6)开关器件两端承受电压以及流通电流的变化率必须受一定的限制，即开关器件存在du/dt耐量和di/dt耐量。1)开关单元输入或者输出的电压或者电流，以及它们的变化率，必须在额定的范围内。2)两个开关为互锁关系，不能造成电压源短路或者电流源开路的情况。3)因为开关的开通和关断需要一定的时间，则两开关动作之间存在一定的“死区”。4)因为开关器件存在最小通态和断态时间，则基本拓扑单元控制存在最小脉宽。5)两个开关的动态特性相互影响。3.3.4两电平拓扑结构1)一般只使用于小容量的变换器。2)输出电压波形中谐波较大。3)一般来说，需要较高的开关频率。4)输出电压波形中，du/dt较大
21、。5)损耗较大，效率较低。3.3.4两电平拓扑结构图3-36三相两电平逆变拖动系统的示意图3.3.4两电平拓扑结构图3-37两电平SPWM调制波与线电压幅频特性及其谐波分析3.4多电平电力电子变换器多电平电力电子变换器，简称多电平变换器。这种变换器正是为适应于集成系统的发展，为提高系统性能和适应性而提出来的。一般来说，多电平变换器具有更多的开关器件和较复杂的拓扑结构。上一节的两电平变换器拓扑特性分析也适用于多电平变换器。但是与两电平变换器拓扑不同，多电平变换器拓扑具有自己本身独有的特点。3.4.1多电平变换器基础1)主电路中的每个开关器件承受一部分直流母线电压，可以采用较低耐压的器件组合来实现
22、高压大功率输出，且无需动态均压电路。2)由于电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形的畸变(THD减小)。3)可以较低的开关频率获得与高开关频率下两电平变换器相同的输出电压波形，因而开关损耗较小，效率高。4)由于电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，变换器输出电压突变的台阶大大减小，使du/dt应力大大减小，在中、高压大电机驱动中，有效防止电机绕组绝缘击穿，同时改善了变换器装置的EMI特性。3.4.1多电平变换器基础图3-38多电平变换器与电机集成系统示意图3.4.1多电平变换器基础图3-39未经调制的五电平输出波形(线电压为九电平)3.4.1多电平变换器基础图3-40采用调制
23、的五电平输出波形(线电压为九电平)3.4.2二极管钳位式多电平变换器1)电平数越多，输出电压谐波含量越少。2)阶梯波调制时，器件在基频下工作，开关损耗小，效率高。3)可控制无功功率流向。4)背靠背连接系统控制简单。1)需要较多钳位二极管。2)每桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成负荷不一致。3)存在直流分压电容电压不平衡问题。3.4.2二极管钳位式多电平变换器表3-4二极管钳位式多电平变换器器件个数统计(一个桥臂)(单位：“个”或“只”)3.4.2二极管钳位式多电平变换器图3-41两种二极管钳位式五电平变换器示意图(一个桥臂)3.4.2二极管钳位式多电平变换器图3-42无时的漏电流匹配3.4
24、.2二极管钳位式多电平变换器图3-43有时的漏电流匹配3.4.2二极管钳位式多电平变换器表3-5二极管钳位式五电平变换器一个桥臂输出电压与开关状态之间的关系3.4.3电容悬浮式多电平变换器1)电平数越多，输出电压谐波含量越少。2)阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高。3)可控无功和有功功率流，因而可用于高压直流输电和变频调速。4)大量的开关状态组合冗余，可用于电压平衡控制。1)需大量的钳位电容。2)用于纯无功负载时，存在悬浮电容电压的不平衡。3.4.3电容悬浮式多电平变换器图3-44电容悬浮式五电平变换器示意图(一个桥臂)3.4.3电容悬浮式多电平变换器表3-6电容悬浮式多电平变
25、换器器件个数统计(一个桥臂)(单位：“个”或“只”)表3-7电容悬浮式五电平变换器一个桥臂输出电压与开关状态之间的关系3.4.4级联式多电平变换器 uaz1(Ud1=Ud2=E)；uaz2(Ud1=E,Ud2=2E)；uaz3(Ud1=E,Ud2=3E)。用隔离电压极性相反串接得到所需的电平，在实际应用中一般不采用。1)直流电源电压难以平衡。2)直流电源有较突出的功率平衡问题(如13结构)。3)器件选型复杂。1)电平数越多，输出电压谐波含量越少。2)阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高。3)无需钳位二极管或钳位电容，易于封装。4)基于低压小容量变换器级联的组成方式，技术成熟，易于
26、模块化，较适于7或9电平及以上的多电平应用场合。5)易采用软开关技术。3.4.4级联式多电平变换器6)不存在电容电压不平衡问题。1)需多个独立直流电源。2)不易实现四象限运行。3)所需开关器件较多，若采用U/f开环控制，低频时电平数减少，输出谐波增加。4)单元采用电解电容的可靠性差。3.4.4级联式多电平变换器图3-45两个H桥级联的变换器示意图(一个桥臂)3.4.4级联式多电平变换器表3-8级联式多电平变换器器件个数统计(一个桥臂)表3-9两个H桥级联的变换器一个桥臂输出电压与开关状态之间的关系图3-4612直流电源H桥级联图3-4713直流电源H桥级联表3-10三种直流电源模式下的输出电平数与开关器件数目比较3.4.5多电平统一变换拓扑及瞬态换流回路图3-48Peng通用多电平拓扑结构3.4.5多电平统一变换拓扑及瞬态换流回路图3-49简化出的三种拓扑3.4.5多电平统一变换拓扑及瞬态换流回路图3-50二极管钳位型的三电平变换器瞬态换流过3.4.5多电平统一变换拓扑及瞬态换流回路图3-51不考虑杂散参数的与实际变换器中的IGCT电压电流波形比较仿真