《电力电子开关器件》课件.pptx

电力电子开关器件电力电子开关器件 制作人：时间：2024年X月目录目录第第1 1章章 电力电子开关器件简介电力电子开关器件简介第第2 2章章 二极管二极管第第3 3章章 晶闸管晶闸管第第4 4章章 MOSFET MOSFET第第5 5章章 IGBT IGBT第第6 6章章 电力电子开关器件的总结电力电子开关器件的总结 0101第第1章章 电电力力电电子开关器件子开关器件简简介介 电力电子开关器电力电子开关器电力电子开关器电力电子开关器件的定义和发展件的定义和发展件的定义和发展件的定义和发展历程历程历程历程电力电子开关器件是电力电子技术的核心之一，是控制电能的关键元件。自电力电子开关器件是电力电子技术的核心之一，是控制电能的关键元件。自2020世纪世纪6060年代开关电源问世以来，开关管等电力电子开关器件逐渐成为重要年代开关电源问世以来，开关管等电力电子开关器件逐渐成为重要元器件之一。元器件之一。电力电子开关器件的发展历程电力电子开关器件的发展历程晶体管和整流器问世2020世纪世纪5050年代年代开关电源和晶闸管问世2020世纪世纪6060年代年代IGBT问世2020世纪世纪7070年代年代 电力电子开关器件的分类电力电子开关器件的分类直流电压控制晶闸管晶闸管低压控制MOSFETMOSFET高压控制IGBTIGBT反向电压二极管二极管电力电子开关器件的应用领域电力电子开关器件的应用领域将交流电转换为直流电交流变流器交流变流器控制电机转速磁悬浮列车磁悬浮列车驱动电机控制电动汽车电动汽车充电电路控制锂电池充电器锂电池充电器晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管是一种半导体器件，由两个交叉的晶闸管是一种半导体器件，由两个交叉的PNPN结和一个控制极组成。它是一种结和一个控制极组成。它是一种双向导电器件，一旦被触发后，晶闸管将保持导通状态，直到电流降为零或双向导电器件，一旦被触发后，晶闸管将保持导通状态，直到电流降为零或被断电。被断电。IGBTIGBTIGBTIGBT正向电压高，电流大正向电压高，电流大响应较慢，效率较低响应较慢，效率较低适用于高压控制适用于高压控制二极管二极管二极管二极管反向电压大反向电压大单向导通单向导通应用广泛应用广泛 MOSFETMOSFET、IGBTIGBT与二极管的区别与二极管的区别MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET正向电压低，电流大正向电压低，电流大高效、响应快高效、响应快适用于低压控制适用于低压控制将AC电源转换为DC电源开关电源开关电源0103控制电机转速交流电机变频调速交流电机变频调速02将DC电源转换为AC电源逆变器逆变器总结总结电力电子开关器件是电力电子技术的核心元件之一，应用广泛，涉及工业、交通、能源等领域。不同的电子开关器件有不同的特点，适用于不同的场合。0202第第2章章 二极管二极管 二极管的基本原二极管的基本原二极管的基本原二极管的基本原理和结构理和结构理和结构理和结构二极管是一种最基本的电力电子器件之一。它由二极管是一种最基本的电力电子器件之一。它由pnpn结构组成，具有单向导电结构组成，具有单向导电性。当正向偏压时，二极管导通，反向偏压时，二极管截止。性。当正向偏压时，二极管导通，反向偏压时，二极管截止。关键参数和特性关键参数和特性正向电压降和正向电流正向工作特性正向工作特性反向击穿电压和反向电流反向工作特性反向工作特性 应用范围和实际问题应用范围和实际问题整流、信号检测、保护等应用范围应用范围漏电、热失控、收尾电容等存在的实际问存在的实际问题题 提高工作频率、减小体积等改进方向改进方向0103高性能变频器、高效率电源等领域GaNGaN材料应用材料应用02高电压、高温、高频等领域SiCSiC材料应用材料应用制备工艺制备工艺制备工艺制备工艺扩散法扩散法金属化法金属化法离子注入法离子注入法主要材料主要材料主要材料主要材料硅硅锗锗碳化硅碳化硅氮化镓氮化镓主要厂商主要厂商主要厂商主要厂商英飞凌英飞凌ONON半导体半导体东芝东芝富士电机富士电机二极管的结构二极管的结构结构种类结构种类结构种类结构种类点接触二极管点接触二极管面接触二极管面接触二极管PINPIN二极管二极管二极管的应用范围二极管的应用范围二极管广泛应用于电源、通讯、计算机、汽车等领域。其中，整流二极管用于AC/DC转换，Zener二极管用于电源稳压，LED二极管用于光源发光，TVS二极管用于过压保护，Schottky二极管用于高速开关等。二极管存在的实二极管存在的实二极管存在的实二极管存在的实际问题际问题际问题际问题二极管在实际应用中，存在漏电、热失控、收尾电容等问题。漏电会造成功二极管在实际应用中，存在漏电、热失控、收尾电容等问题。漏电会造成功率损耗，导致器件损伤或工作不稳定；热失控会引起器件温度过高，导致器率损耗，导致器件损伤或工作不稳定；热失控会引起器件温度过高，导致器件寿命缩短；收尾电容会影响开关性能，产生电磁干扰、噪声等。件寿命缩短；收尾电容会影响开关性能，产生电磁干扰、噪声等。0303第第3章章 晶晶闸闸管管 晶闸管的基本原理和结构晶闸管的基本原理和结构PN结和P型绝缘体晶闸管的基本晶闸管的基本原理原理晶闸管的主要构成部分晶闸管的结构晶闸管的结构 关键参数和特性关键参数和特性包括导通电压和关断电流等晶闸管的主要晶闸管的主要参数参数包括正向特性曲线和反向特性曲线等晶闸管的特性晶闸管的特性曲线和使用方曲线和使用方式式 应用范围和实际问题应用范围和实际问题主要应用于强电流、高压力和高速度等场合晶闸管的应用晶闸管的应用范围范围包括可靠性和损坏等问题晶闸管存在的晶闸管存在的实际问题实际问题 晶闸管的改进和发展晶闸管的改进和发展包括全极型晶闸管、IGBT和MCT等晶闸管的改进晶闸管的改进和发展趋势和发展趋势介绍IGCT和GTO的基本特性和应用IGCTIGCT和和GTOGTO的的发展发展 晶闸管的基本原晶闸管的基本原晶闸管的基本原晶闸管的基本原理理理理晶闸管由晶闸管由PNPN结和结和P P型绝缘体构成，型绝缘体构成，PNPN结在正向偏压下导通，结在正向偏压下导通，P P型绝缘体在负向型绝缘体在负向偏压下导通，从而实现开关功能。偏压下导通，从而实现开关功能。关断电流关断电流关断电流关断电流指晶闸管不再进行导通的电流指晶闸管不再进行导通的电流通常取决于晶闸管的结构和制通常取决于晶闸管的结构和制造工艺造工艺耐压能力耐压能力耐压能力耐压能力指晶闸管在正常工作状态下的指晶闸管在正常工作状态下的最大耐压能力最大耐压能力通常取决于晶闸管的材料和结通常取决于晶闸管的材料和结构构封装形式封装形式封装形式封装形式指晶闸管的封装形式，常见的指晶闸管的封装形式，常见的有有TO-220TO-220、TO-247TO-247等等不同封装形式具有不同的安装不同封装形式具有不同的安装方式和散热方式方式和散热方式晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数导通电压导通电压导通电压导通电压指晶闸管在正常工作状态下的指晶闸管在正常工作状态下的导通电压导通电压通常取决于晶闸管材料和结构通常取决于晶闸管材料和结构晶闸管存在开路故障和短路故障等问题，影响其可靠性可靠性问题可靠性问题0103晶闸管的导通压降会产生功耗，从而影响效率导通压降问题导通压降问题02晶闸管容易受到过电压和过电流等因素的影响而损坏损坏问题损坏问题晶闸管的应用范围晶闸管的应用范围晶闸管主要应用于高功率、高频率、高压力、大电流、高速度等场合，如直流变换器、交流电压调节器、AC/DC和DC/DC转换器等。IGCTIGCT和和GTOGTO的发展的发展Intergate Commutated Thyristor，是晶闸管的改进型产品IGCTIGCTGate Turn-Off Thyristor，是晶闸管的一种新型产品GTOGTOIGCT具有高速度、低损耗、高封装密度的特点，GTO具有可控性好、反向阻能力强、易于控制的特点特点特点IGCT广泛应用于电力电子装置、输电线路、电机驱动器等领域，GTO主要应用于制动、电机启动和电机调速等领域应用应用晶闸管的改进和晶闸管的改进和晶闸管的改进和晶闸管的改进和发展发展发展发展晶闸管的改进和发展主要包括全极型晶闸管、晶闸管的改进和发展主要包括全极型晶闸管、IGBTIGBT和和MCTMCT等。全极型晶闸管是等。全极型晶闸管是普通晶闸管的改进产品，具有开关速度快、损耗小等特点。普通晶闸管的改进产品，具有开关速度快、损耗小等特点。IGBTIGBT是继晶闸管是继晶闸管之后的一种新型可控硅产品，具有可控性好、开关速度快、损耗小等特点。之后的一种新型可控硅产品，具有可控性好、开关速度快、损耗小等特点。MCTMCT是一种新型深井型金属是一种新型深井型金属-绝缘体绝缘体-半导体场效应晶体管，具有可调性能好、半导体场效应晶体管，具有可调性能好、导通压降小等特点。导通压降小等特点。0404第第4章章 MOSFET MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET的基本的基本的基本的基本原理和结构原理和结构原理和结构原理和结构Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect TransistorMetal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称，简称MOSFETMOSFET，是一种常用的电力电子开关器件。，是一种常用的电力电子开关器件。MOSFETMOSFET的基本原理是通过控制栅极电压的基本原理是通过控制栅极电压来控制漏极电流，其结构包括源极、漏极和栅极。来控制漏极电流，其结构包括源极、漏极和栅极。MOSFETMOSFET的主要参数的主要参数静态漏电流和动态漏电流漏电流漏电流越小越好内阻内阻热锅效应漏极耗散功率漏极耗散功率影响开关速度栅极电容栅极电容MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET的特性的特性的特性的特性曲线和使用方式曲线和使用方式曲线和使用方式曲线和使用方式MOSFETMOSFET的特性曲线可以通过采集数据进行绘制，其中包括的特性曲线可以通过采集数据进行绘制，其中包括I-VI-V曲线和输出曲曲线和输出曲线。线。MOSFETMOSFET的使用方式包括三种类型，分别是开关型、线性型和电阻型。的使用方式包括三种类型，分别是开关型、线性型和电阻型。电源开关电源管理电源管理0103充电和保护电池管理电池管理02交流或直流电机电机驱动电机驱动过压和过电流过压和过电流过压和过电流过压和过电流可能导致器件损坏可能导致器件损坏需要电路保护需要电路保护温度和湿度温度和湿度温度和湿度温度和湿度对器件性能影响较大对器件性能影响较大需要考虑环境因素需要考虑环境因素EMCEMCEMCEMC问题问题问题问题可能影响电子设备的性能可能影响电子设备的性能需要考虑需要考虑EMCEMC设计设计MOSFETMOSFET的实际问题的实际问题漏电流过大漏电流过大漏电流过大漏电流过大导致器件发热导致器件发热增加功耗增加功耗MOSFETMOSFET的改进和发展趋势的改进和发展趋势减小栅极电容提高开关速度提高开关速度优化工艺和材料降低漏电流降低漏电流新型材料和结构提高温度稳定提高温度稳定性性更高的集成度和可靠性提高集成度提高集成度 0505第第5章章 IGBT IGBTIGBTIGBTIGBT的基本原的基本原的基本原的基本原理和结构理和结构理和结构理和结构IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种高性能功率半导体器是一种高性能功率半导体器件，结构上类似于件，结构上类似于MOSFETMOSFET，但具有，但具有BJTBJT的特性。其基本原理是由的特性。其基本原理是由MOSFETMOSFET控制控制BJTBJT的电流，从而实现高电压、高电流的开关控制。的电流，从而实现高电压、高电流的开关控制。IGBTIGBT的主要参数的主要参数影响功率损耗导通电阻导通电阻影响开关效率开关速度开关速度影响负载能力电流容量电流容量 IGBTIGBT的特性曲线和使用方式的特性曲线和使用方式静态特性VCE vs ICVCE vs IC动态特性VGE vs ICVGE vs IC单管、并联、串联IGBTIGBT的使用方的使用方式式 电机变频器交流调速交流调速0103太阳能逆变器逆变器逆变器02电源控制器整流整流热量热量热量热量IGBTIGBT在工作时会产生很多热量，在工作时会产生很多热量，需要散热需要散热如何设计散热系统是一大挑战如何设计散热系统是一大挑战可靠性可靠性可靠性可靠性IGBTIGBT是电力电子系统中重要的是电力电子系统中重要的开关元件，需要具备高可靠性开关元件，需要具备高可靠性如何提高如何提高IGBTIGBT的可靠性是一项的可靠性是一项重要研究课题重要研究课题成本成本成本成本IGBTIGBT的制造成本相对较高的制造成本相对较高如何降低如何降低IGBTIGBT的制造成本是行的制造成本是行业亟待解决的问题业亟待解决的问题IGBTIGBT的实际问题的实际问题功率损耗功率损耗功率损耗功率损耗IGBTIGBT导通时会有一定的电阻，导通时会有一定的电阻，导致功率损耗导致功率损耗如何降低功率损耗是一大难题如何降低功率损耗是一大难题IGBTIGBT的改进和发展趋势的改进和发展趋势SiC、GaN等新材料新材料集成化、模块化新结构新结构软开关、ZVS、ZCS等新技术新技术 SiCSiCSiCSiC和和和和GaN IGBTGaN IGBTGaN IGBTGaN IGBT的应用的应用的应用的应用SiCSiC和和GaN IGBTGaN IGBT是新型的功率半导体器件，具有更高的性能、更小的尺寸、是新型的功率半导体器件，具有更高的性能、更小的尺寸、更低的功耗和更高的可靠性。它们已经被广泛应用于电动汽车、太阳能电池更低的功耗和更高的可靠性。它们已经被广泛应用于电动汽车、太阳能电池和工业自动化等领域。和工业自动化等领域。0606第第6章章 电电力力电电子开关器件的子开关器件的总结总结 电力电子开关器件的优点电力电子开关器件的优点电力电子开关器件的可控硅、IGBT等类型具有很高的效率高效率高效率电力电子开关器件的控制电路能够实现高精度的电压和电流控制精度高精度高电力电子开关器件能够适应不同电源、负载和工况的变化适应性强适应性强 电力电子开关器件的缺点电力电子开关器件的缺点电力电子开关器件的制造工艺和材料要求高，成本较高成本高成本高电力电子开关器件容易受到环境、温度等因素的影响，可靠性不高可靠性低可靠性低电力电子开关器件的高频电磁波干扰和抗干扰能力较差电磁兼容性差电磁兼容性差 目前电力电子开关器件已广泛应用于各个领域，如电动汽车、电力系统、工业自动化等应用现状应用现状0103 02未来电力电子开关器件将继续向高功率、高可靠性、高集成度、高频率、高温度等方向发展未来趋势未来趋势IGBTIGBTIGBTIGBT优点：开关速度快、适用于高优点：开关速度快、适用于高频、体积小、功率密度高频、体积小、功率密度高缺点：价格较高、容易损坏、缺点：价格较高、容易损坏、不适用于高电压不适用于高电压应用：交流电源、电力传输、应用：交流电源、电力传输、电机控制等领域电机控制等领域MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET优点：开关速度快、适用于高优点：开关速度快、适用于高频、体积小、功率密度高、价频、体积小、功率密度高、价格便宜格便宜缺点：容易损坏、电容量大、缺点：容易损坏、电容量大、温度敏感温度敏感应用：直流电源、汽车电子、应用：直流电源、汽车电子、电机控制等领域电机控制等领域SiC MOSFETSiC MOSFETSiC MOSFETSiC MOSFET优点：耐高电压、低电阻、超优点：耐高电压、低电阻、超高速开关、低噪声高速开关、低噪声缺点：价格高、易损坏、散热缺点：价格高、易损坏、散热要求高要求高应用：高压变频器、电力传输、应用：高压变频器、电力传输、航空航天等领域航空航天等领域电力电子开关器件类型比较电力电子开关器件类型比较可控硅可控硅可控硅可控硅优点：承受高压、大电流、高优点：承受高压、大电流、高耐压耐压缺点：开关速度慢、不适用于缺点：开关速度慢、不适用于高频高频应用：交流电源、电机控制、应用：交流电源、电机控制、照明、电焊等领域照明、电焊等领域电力电子开关器件总结电力电子开关器件总结电力电子开关器件是电力电子技术的核心，其优缺点和应用现状对电力电子工程师具有重要的指导意义。未来随着新材料、新工艺的不断发展，电力电子开关器件将会在高效、可靠、安全、环保等方面持续优化。THANKS 谢谢观看！