电力电子器件及其应用技术
电力电子技术及其应用
电力电子技术及其应用概述：电力电子技术是电气工程领域中的一个重要分支，它通过研究和应用电子器件和电力系统，实现对电能的调节、变换和控制。
电力电子技术的发展为电力系统的可靠性、效率和可持续性提供了重要支持，广泛应用于能源转换、电力传输和分配、电动车辆和可再生能源等领域。
一、电力电子器件：电力电子器件是电力电子技术的基础，主要包括晶体管、二极管、功率模块等。
晶体管是电力电子领域最常用的器件之一，它能够实现电能的开关和放大。
功率模块则是由多个晶体管和二极管组成的集成电路，具有高功率密度和高效率的特点。
这些器件的研发和应用为电力电子技术的发展奠定了坚实的基础。
二、电力电子转换技术：电力电子转换技术是电力电子技术的核心内容，它通过将电能从一种形式转换为另一种形式，实现对电力系统的控制和调节。
常见的电力电子转换技术包括直流-直流变换、直流-交流变换和交流-交流变换。
直流-直流变换器能够将直流电压的大小和极性进行调节，广泛应用于电力系统的稳压和稳流控制。
直流-交流变换器则能够将直流电能转换为交流电能，实现交流电力系统的接入和调节。
交流-交流变换器则能够实现交流电能的频率和相位的调节，适用于电力系统的调频和调相控制。
三、电力电子应用：电力电子技术在现代社会中的应用非常广泛，主要体现在以下几个方面：1. 能源转换：电力电子技术在能源转换中发挥着重要作用。
通过电力电子转换装置，可以将不同形式的能源转换为电能，进而实现能源的传输和分配。
同时，电力电子技术还能够实现对能源的储存和再利用，提高能源的利用效率。
2. 电力传输和分配：电力电子技术在电力传输和分配中起到了关键作用。
通过电力电子装置，可以实现对电力系统的控制和调节，提高电力系统的稳定性和可靠性。
同时，电力电子技术还能够实现对电力系统的保护和故障处理，提高电力系统的安全性和可操作性。
3. 电动车辆：电力电子技术在电动车辆领域的应用日益广泛。
通过电力电子转换装置，可以实现对电动车辆电能的调节和控制，提高电动车辆的性能和效率。
电力电子技术及其应用
电力电子技术及其应用随着现代工业的快速发展，电力电子技术作为一门重要的学科得到了广泛关注和应用。
本文将从电力电子技术的基本理论、应用领域以及未来发展方向等方面进行论述，以帮助读者更好地了解电力电子技术的重要性和潜力。
一、电力电子技术的基本理论电力电子技术是将电力与电子技术结合起来，实现对电能的高效转换和控制。
在电力电子技术中，一些基本的理论起到了至关重要的作用。
1.1 电力电子器件电力电子技术依赖于各种电力电子器件的设计和应用。
最常见的电力电子器件包括晶闸管、二极管和MOSFET等。
这些器件能够实现电能的调节、转换和控制，是电力电子技术的基石。
1.2 模块化与开关技术模块化技术能够将电力电子系统分为不同功能模块，实现相互独立的控制和运行。
而开关技术则可以实现电力电子器件的高效开关，并确保传输效率的最大化。
1.3 控制与调节电力电子技术的重要一环是对电能进行精确的控制与调节。
通过使用控制器、传感器以及反馈机制等手段，可以实现对电能的精确测量和调节，提高电力系统的效率和稳定性。
二、电力电子技术的应用领域2.1 新能源发电与配电新能源发电技术是当前一个热门的研究领域，而电力电子技术在新能源发电中扮演着重要的角色。
通过对风能、太阳能等新能源的高效转换和控制，电力电子技术可以帮助解决传统能源短缺和环境污染等问题。
2.2 液态晶体显示技术液态晶体显示技术已经成为现代家电和信息技术领域的基础。
电力电子技术在液态晶体显示技术中的应用包括液晶电视、计算机显示屏等，这些设备都离不开电力电子技术的支持和驱动。
2.3 电力传输与变换电力传输与变换是电力电子技术的典型应用之一。
通过使用电力电子器件和控制技术，可以实现对输电线路的电能转换和控制，提高电力传输的效率和可靠性。
三、电力电子技术的未来发展方向3.1 高效能源利用与储能技术在能源短缺和环境问题的背景下，高效能源利用与储能技术变得尤为重要。
电力电子技术可以通过创新电力电子器件和控制方法，实现对能源的高效转换和储存，从而有效提高能源利用率。
电力电子技术及其在电网中的应用
电力电子技术及其在电网中的应用随着经济发展和人民生活水平的提高，电力需求量也急剧增长。
同时，环境问题的日益严重也加剧了人们对能源的关注。
在这种情况下，电力电子技术的应用变得越来越重要。
本文将着重探讨电力电子技术的基本原理及其在电网中的应用。
电力电子技术的基本原理电力电子技术是指利用能够控制电能、变换电能和处理电能的电子器件和电路来实现电力控制和电力转换的一种技术。
电力电子技术的发展离不开电子技术的发展。
电力电子器件的出现，如晶闸管、功率场效应管、GTO管、IGCT管、MOS管等，极大地促进了电力电子技术的发展。
电力电子器件的特点是具有大功率、高压、高电流的特性。
在电力电子技术中，电力电子器件的基本功能是实现电力的控制和转换。
在电力控制中，电子器件可以被用来开关电路，改变电路的电流和电压大小。
在电力转换中，电子器件可以被用来改变电能的形式，例如将交流电转换成直流电，将电压变大或者变小等等。
电力电子技术在电网中的应用电力电子技术在电网中的具体应用包括：1.静止补偿器电力电子技术可以用来实现静止补偿器，通过数字信号处理测量电网中的各种信号，将各种补偿信号转换成电压和电流的大小，然后通过电子器件控制这些电压和电流来保证电网的稳定性和安全性。
2.柔性交流输电技术柔性交流输电技术是一种新兴的高压变流器技术，是通过电力电子器件将电网中的交流电转换成可调的直流电，然后在高压输电线路中进行传输，再将直流电通过变流器再次转换成交流电。
由于这种技术具有传输损耗小、容量大、稳定性好等优点，正逐渐成为电网输电的重要方式。
3.电力电子调速器电力电子调速器可以通过控制电子器件的开关，改变电动机的转速，从而实现对电动机的转速、电压和电流等参数的调节。
目前，电力电子调速器已经广泛应用于钢铁、矿山、机械制造、船舶等行业中。
4.智能电网智能电网是一种新型的电网形态，它通过今日化和可编程电路实现电网的智能化和高效化。
智能电网的核心是能够自主调整的电力电子器件。
电力电子器件及其应用
宽禁带半导体材料的应用
总结词
宽禁带半导体材料（如硅碳化物和氮化 镓）在电力电子器件中的应用越来越广 泛。
VS
详细描述
宽禁带半导体材料具有高临界场强和高电 子饱和速度等优点，使得电力电子器件能 够承受更高的工作电压和更大的工作电流 ，同时减小器件的体积和重量，提高系统 的能效和可靠性。
电力电子系统集成化与模块化
压保护、过电流保护和过热保护等。
驱动电路与控制电路设计
总结词
驱动电路和控制电路是电力电子系统中的重要组成部 分，其设计的好坏直接影响到整个系统的性能。
详细描述
驱动电路负责提供足够的驱动信号，使电力电子器件 能够正常工作。在设计驱动电路时，需要考虑信号的 幅度、相位、波形等参数，以确保器件能够得到合适 的驱动信号。控制电路则负责对整个电力电子系统进 行控制和调节，以确保系统能够按照预设的方式运行 。控制电路的设计需要充分考虑系统的动态特性和稳 态特性，并能够根据实际情况进行实时调节。
要点一
总结词
要点二
详细描述
在选择电力电子器件时，电压和电流容量是关键参数。
需要根据电路的工作电压和电流来选择合适的器件，以确 保器件能够安全、有效地运行。选择电压和电流容量过小 的器件可能导致器件过载，影响其性能和寿命；而选择电 压和电流容量过大的器件则可能造成浪费，增加成本。
工作频率与散热设计
总结词
总结词
电力电子系统正朝着集成化和模块化的方向 发展。
详细描述
集成化和模块化可以提高电力电子系统的可 靠性和可维护性，减小系统的体积和重量， 降低制造成本。同时，集成化和模块化还有 利于实现电力电子系统的标准化和系列化， 方便不同系统之间的互连和互操作。
电力电子在分布式发电和微电网中的应用
电力电子技术及其应用
电力电子技术及其应用在现代科技飞速发展的时代，电力电子技术犹如一颗璀璨的明星，在众多领域发挥着至关重要的作用。
从日常生活中的电子设备到大型工业生产，电力电子技术的身影无处不在。
电力电子技术，简单来说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。
它将传统的电力技术与现代电子技术相结合，实现了对电能高效、精确的处理和控制。
电力电子器件是电力电子技术的核心。
从早期的晶闸管，到后来的功率晶体管、场效应管，再到如今广泛应用的绝缘栅双极型晶体管（IGBT），电力电子器件不断更新换代，性能也日益优越。
这些器件能够承受高电压、大电流，并具有快速的开关速度，使得电能的变换更加高效和可靠。
在电源领域，电力电子技术的应用极为广泛。
我们日常使用的手机充电器、笔记本电脑电源适配器等，都是基于电力电子技术实现的。
通过将交流电转换为直流电，并调整电压和电流的大小，为各种电子设备提供稳定、适配的电源。
而在工业生产中，大型的不间断电源（UPS）系统能够在电网出现故障时，迅速为关键设备提供持续的电力供应，保障生产的正常进行。
在交通运输领域，电力电子技术也有着突出的表现。
电动汽车的快速发展离不开电力电子技术的支持。
电动汽车的驱动系统中，需要将电池提供的直流电转换为交流电来驱动电机运转，同时还需要对电池进行充电管理，以保证电池的寿命和性能。
此外，轨道交通中的电力牵引系统也大量采用了电力电子技术，实现了电能的高效利用和列车的精准控制。
在可再生能源领域，电力电子技术更是发挥着关键作用。
太阳能光伏发电和风力发电等可再生能源的输出通常是不稳定的直流电，需要通过电力电子装置将其转换为交流电，并与电网实现连接和并网运行。
同时，为了提高能源的利用效率，还需要进行最大功率点跟踪（MPPT）控制，确保在不同的环境条件下，能源的输出达到最大值。
在电机调速领域，电力电子技术同样不可或缺。
传统的交流电机调速方法效率低下，而采用电力电子变频器可以实现对电机转速的精确控制，不仅提高了电机的运行效率，还降低了能耗。
第8章电力电子器件及其应用共50页
（3）电感性负载(加续流二极管)
T
io
u> 0时：
+
+ + uT –
+
L
u io D
uo
–
R
–
–
D反向截止，不影响整流电路工作。
u < 0时： D正向导通,晶闸管承受反向电压关断,电感元件L
释放能量形成的电流经D构成回路(续流),负载电压 uo波形与电阻性负载相同(见波形图)。
21.09.2019
向峰值电压。一般取 URRM = 80% UBR 普通晶闸管 URRM为100V—3000V
(6)控制极触发电压和电流UG、IG： 室温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完 全导
通所必须的最小控制极直流电压、电流 。 一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。
(7)浪涌电流IFSM： 在规定时间内，晶闸管中允许通过的最大过载电流。
目录
8.1.2 伏安特性及主要参数
1. 伏安特性 (I f(U)曲线 )
I
正向平均电流 IF
+_
电工电子技术
维持电流
UBR URRM
IH
反向转折电压
o U _+
IG2 > IG1 > IG0 IG2 IG1 IG0
UFRM UBO U
正向转折电压
反向特性
正向特性
21.09.2019
电工基础教学部
电路 特点
2. 无反向电压。 2. 晶闸管和负载上的电流相同。
21.09.2019
电工基础教学部
29
目录
电工电子技术
(2)
+
u
-
T1 D1
新型电力电子元器件研究及应用
新型电力电子元器件研究及应用随着电力电子技术的不断发展，电子器件的种类和功能也得到了极大的拓展。
新型电力电子元器件不仅仅包括经典的半导体器件，还涵盖了各种新型器件，如功率集成芯片、SiC器件、GaN器件等。
这些新型器件的出现，让电力电子系统性能得到了显著提升，同时也推动了电力电子领域的技术进步。
1. 功率集成芯片的应用功率集成芯片（PIC）是一种具有高度集成化的、尺寸小、功率密度大的电力电子元器件。
相比传统的电力电子系统，采用PIC可以大幅提升系统的功率密度和效率。
同时，PIC的制造成本也相对较低，便于批量制造和应用。
目前，PIC已经在电机驱动、DC-DC转换、太阳能逆变、LED 驱动等领域得到了广泛应用。
以电机驱动为例，现代电机驱动系统一般由三个模块组成：控制模块、功率模块和传感器模块。
而采用PIC后，三个模块可以通过一个芯片实现，大大减小了系统体积、提高了效率、降低了故障率。
这种集成技术的应用有利于实现小型化、智能化、高效能的电力电子系统。
2. SiC器件的发展SiC（碳化硅）是一种WBG（宽禁带半导体）材料，相比传统的Si（硅）材料，具有更高的导通电流密度、更高的崩溃电场和更高的耐热温度。
因此，基于SiC的电力电子元器件具有更小的尺寸、更低的开关损耗和更高的开关频率。
目前，SiC器件已经广泛应用于电动汽车、高速列车、船舶、飞机等场合。
以电动汽车为例，传统的Si器件无法满足高速充电、快速加速等要求。
而采用SiC器件后，可以实现高达350kW的超级充电功率，保障了快速充电需求。
同时，SiC器件的应用还可以提高电动汽车驱动电机的效率，延长电池寿命，降低系统成本。
3. GaN器件的发展GaN（氮化镓）也是一种WBG材料，与SiC类似，具有更高的导通电流密度、更高的崩溃电场和更高的极限工作温度。
与SiC 不同的是，GaN器件的制造成本更低，适用于低压高频领域。
因此，基于GaN的电力电子元器件成为了高频应用的首选。
电力电子设备新技术及应用
电力电子设备新技术及应用一、引言随着电力电子技术的迅猛发展和全球环保意识的增强，电力电子设备越来越受到人们的重视。
作为现代工业化生产的重要支撑，电力电子设备的新技术及应用将在工业化、城市化、智慧化等方面发挥重大作用。
二、新技术1.半导体器件技术随着半导体技术的不断创新，半导体器件的性能得到了很大提高。
目前，IGBT、MOSFET、SiC等功率半导体器件已经成为电力电子设备的主要组成部分，其无磁场控制、低损耗、高控制精度、小体积等优点促进了电力电子设备的发展。
2.磁性元件技术电力电子设备中大量使用的磁性元件，传统的变压器、电感等元件制造成本高、重量大、体积大，对系统的稳定性、效率、品质等方面的影响也很大。
目前，采用新型的磁性材料、新工艺的磁性元件，如钠镁铁氧体、软磁合金材料等，可以有效地降低电力电子设备的成本和体积，提升设备的效率和品质。
3.控制技术电力电子设备中的控制技术对设备的性能和稳定性具有重要影响，如电压控制、电流控制、功率控制等。
目前，采用数字控制技术、信号处理技术和通讯技术等，可以实现更加智能化和自动化的电力电子设备控制。
三、应用场景1.新能源随着新能源的发展，电力电子设备成为新能源领域的重要组成部分。
如风力发电、太阳能发电系统中的逆变器、整流器等电力电子设备，其能够将直流电转换成交流电，提供了给电网稳定、高品质的电能。
2.工业控制电力电子设备在工业控制中的应用范围也越来越广泛。
如变频器、伺服系统等的控制，采用电力电子器件和控制技术，可以实现对电机运行的精细控制和高效转换，提升工业生产的效率和品质。
3.家用电器随着智能家居的发展，电力电子设备在家用电器中的应用必将越来越广泛。
如电视、冰箱、空调等家用电器的控制，可以通过采用电力电子器件和控制技术，实现更加智能化、节能化的家居生活。
四、结论电力电子设备的新技术和应用，不仅推动了工业、城市化、智慧化等方面的发展，也促进了电力系统的高效、稳定和可靠运行。
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Tj = 25C UGS = 0V f = 1MHz
Cis
CGS
8
Cos
Crs
S
O
10
20
30
40
50
《器件说明》
U DS / V
? Cis=CGSCGD 输入电容（DS短接） 开关速度
Cos=CDSCGD 输出电容（GS短接）
计算 驱动电路
Crs =CGD
反馈（米勒）电容
设计
C / nF
▲ 氮化镓GaN具有碳化硅的高击穿电场特性， 更具高频特性的开发潜力。
§3-1 功率二极管 （Power Diode)
1 静态特性
iD
电导调制效应
★ 电导调制效应：
电流↑—注入载流子数↑ 保持 电阻率↓—多子↑ 电中性
2 动态特性
mA ~ mA
uD
反向阻断 0.5~1.2V
雪崩 击穿
PD等效模型：
1.2
UDS = 60V
1.0
25
50
75
100 125 150
Tj / C
0.5
0.4
Tj = 100C
0.3
Tj = 25C
0.2
Tj = 55C
0.1
0
5
10
15
20
25
IDS / A
动态特性：
uGS
90%
10%
uDS
90%
UGS UDS
uG
uGS
?UG
UG
t
t
uDS
Ui
t
t
iDS
IL
t
10%
E
B
台面结构面积大→I 大； P N+
轻掺杂→ρ大→V梯度↑
N-
→V大；但β小。
N+
C
2 类型
单管：β=10 ~ 15，驱动电流大 复合（达林顿）管：
T1
T1
T2
T2
NPN
PNP
★ T2的C结未正偏，Uces大 ★ T1→T2 顺序动作，速度慢
★ R1、R2提供Icb的通
路提高热稳定性； R2分流T1穿透电流， 保证关断可靠。
G
0.2
0.20
0.1
0.10
0.05
Single Pulse
RTjC = 0.25C/W
0.02
0.01 0.01 0.1
1.0 10 100 1000 10000
t / ms
D
KR
=
Z TjC R T jC
结-壳瞬态热阻 结-壳稳态热阻
§3-4 绝缘栅双极晶体管 IGBT
C
RN
1 IGBT的结构
高压器件阻断电压超过10kV; 大电流器件通态电流130A、阻断电压高达5kV 。
■ 突出优点：反向漏电流极小 + 零反向恢复时间 + 300℃工作温度。
SiC 功率MOS与IGBT研发进展
■理论上，通态比电阻同比硅MOS分别低100－2000倍。
2019
10 3 UMOS
Silicon
比电阻 （ cm2）
Ui
t iDS
IL
t
iD IL t
t0 t1
Q0 Q1
t2 t3
Q2 Q3
★ 栅极电荷特性
电路运行条件的影响
uGS / V
U DS = 10V
U DS = 80V
uGS / V
14
IRF130
12
IDS = 1A
10
8
6
4
2
Q / nC
O 5 10 15 20 25 30
Q1 Q2
Q3
开通 电流
降落 电压
• 与硅相比碳化硅的另一优势是能够兼顾器件的功率、频率以 及耐高温。正好都是电力电子技术发展对器件的基本要求。
• 今后几年，随着碳化硅晶体生长技术和器件制造技术的完善， 其器件在成品率、可靠性和价格等方面都将有较大改善，从 而进入应用的阶段。
• 这极有可能引发电力电子技术的一场新的革命。
因此，碳化硅电力电子器件的诞生和开发是电力电子技术在 世纪之交的一次革命性进展。
外壳电容
体电感
PN结电阻
引线电感
体电阻 势垒+扩散电容
开通过程：
外壳电容
体电感
PN结电阻
iD uD
UFRP
实际 uD
理想 iD
实际 iD
引线电感
体电阻
2V
势垒+扩散电容
关断过程：
tFR
iD
UFRP
由UR、线路电感、 体电感决定
理想 iD
实际 iD
tRR
反向充电建立势垒
t 反向恢复时间
t 理想 uD
Ron
U GS
I DS
1.25
1.15
1.05
MTP1N100 1A1000V
0.95 MTP5N40
5A400V
0.85
MTP25N06
25A60V
0.75 4 6 8 10 12 14 16 18 20
UGS / V
Ron /
Ron / on25C R
2.0
1.8
1.6
UDS = 400V
1.4
功率MOSFET的结构与电路模型
G
S
G
D
D
G
N+ N+
N+ N+
S S
P
P
N-
D
CGD
CDS
N+
G
D
★ 垂直导电VD，面积 大，电流大； ★ 轻掺杂，电阻率大，耐压高；
★ 沟道短D-S间U、R、 C均小； ★ 胞元并联结RDS小，可达mΩ。
CGS
Rb
S 沟道体电阻
☆ 无电导调制效应， UDSS 较GTR大。
★ 栅极电荷特性
Ui IL
CGD IG
iD iDS
CDS
CGS S
40 32
？密勒效应 MTE50N10
Tj = 25C UGS = 0V
24
f = 1MHz
16
Cis
8
Cos
Crs
O
10
20
30
40
50
U DS / V
IG =Const
UGS(t )
UG S(Q)
iG
IG
t
uGS
放大区 调阻区
t
uDS
（开通过程贮存于Cis）
S2
S1＋S2=开关周期驱动能量
UGS-
平均驱动功率
1
P= TS
0TSuGiS Gd= t Pon po
n po
f= f po
n po
ff
=fS(S1S2)=fS(UGSUGS)Q (3Q0)
★ 安全工作区
电路运行条件的影响
IDS / A
Ron 损耗 限制
脉冲 电流 限制
tc—关断时间 t3—存储时间 （μs 级） t4—下降时间
§3-3 功率场效应晶体管 Power MOSFET
1 分类与结构特点
小功率MOSFET：
结型 绝缘栅型
增强型 耗尽型
N沟道 P沟道
N沟道 P沟道
Power MOSFET
D
★ 因工艺和结构差异名称不同。如：
Motorola NEC Siemens
TMOS VDMOS SiPMOS
G S
小功率MOSFET的结构
反型层 G
S
D
N+
N+
P
★ 电压控制，输入阻抗高。
GTR:10~104 MOS:107 ~1014
★ 单极型，温—流负反馈，
温度稳定性高，无二次击穿。
uGS > 0
104~5V / mm
☆ 横向导电，电流小，耐压低。
适合于MOS IC。
过驱动
14
IRF130
12
UDS = 80V
10
8
IDS = 12A
6
4
IDS = 1A
2
Q / nC
O 5 10 15 20 25 30
U DS
U GS
Q
I DS
★ 栅极电荷特性
应用于驱动功率计算
uGS
U GS
S1
S1:开通过程消耗于RG的能量
S2:关断过程消耗于RG的能量
O
Q
-Q0
Q1
Q2
Q3
2 PMOSFET的特性
静态特性：
★ 输出特性
iD
调 阻 区
饱和区
雪崩
U GS
击穿区
无栅压反向输出特性
U GS=0 U GS
u DS
U GS=0
Ron = 5 ~ 10m
UGS>0
正栅压反向输出特性
★ 转移特性
iD
负电流温度系数
适于并联
跨导 I D = g U GS
uGS
开启电压 UT
开启电压 跨导
103
1990
P / kVA 105
104
发展历程
SCR
2000
GTO
SITH
103
IGBT
102
P / kVA 103
102
102
SCR
10
1980
GTO
10
IGBT
101
GTR 1 10
MOS f / kHz
102 103 104