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1、第3章 電力電子器件與變換器3.1 電力半導(dǎo)體器件的分類3.1.1 按照電力半導(dǎo)體器件發(fā)展來分類3.1.2 按照電力半導(dǎo)體器件控制方式來分類3.1.3 按照電力半導(dǎo)體器件驅(qū)動(dòng)方式分類3.1.4 按照電力半導(dǎo)體器件中載流子性質(zhì)分類3.2 電力半導(dǎo)體器件的工作原理及特性3.2.1 單PN結(jié)器件(二極管)的工作原理與特性3.2.2 多PN結(jié)器件的工作原理3.2.3 多PN結(jié)器件的特性3.3 電力電子變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.3.1 變換器理想開關(guān)的定義3.3.2 變換器的基本拓?fù)鋯卧?章 電力電子器件與變換器3.3.3 基于器件特性
2、的變換器基本拓?fù)鋯卧?.3.4 兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.4 多電平電力電子變換器3.4.1 多電平變換器基礎(chǔ)3.4.2 二極管鉗位式多電平變換器3.4.3 電容懸浮式多電平變換器3.4.4 級(jí)聯(lián)式多電平變換器3.4.5 多電平統(tǒng)一變換拓?fù)浼八矐B(tài)換流回路圖3-1 一個(gè)典型的電力電子變換器裝置結(jié)構(gòu)示意圖3.1 電力半導(dǎo)體器件的分類根據(jù)器件所用半導(dǎo)體材料、制造工藝、工作機(jī)理及器件開通和關(guān)斷的控制方式的不同，電力半導(dǎo)體器件有許多種類和不同的分類方式。3.1.1 按照電力半導(dǎo)體器件發(fā)展來分類1.第一代器件2.第二代器件3.第三代器件1.第
3、一代器件主要以功率二極管(PowerDiode)和晶閘管(Thyristor，也稱之為SiliconControlledRectifier，SCR)為代表，是電力電子技術(shù)發(fā)展早期的主要器件，是傳統(tǒng)電力電子技術(shù)的標(biāo)志。2.第二代器件主要以可關(guān)斷晶閘管(GateTurn-offThyristor，GTO)、大功率晶體管(GiantTransistor，GTR)和功率場控晶體管(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor，MOSFET)為代表。隨著電力電子的發(fā)展，對器件的可控性提出了
4、更高的要求，這些器件相對于第一代器件最明顯的區(qū)別是能夠進(jìn)行可控關(guān)斷，這也是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的標(biāo)志。3.第三代器件主要以高性能的絕緣柵雙極性晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)、集成門極換流晶閘管(IntegratedGateCommutatedThyristor，IGCT)和智能功率模塊(IntelligentPowerModule，IPM)等器件為代表。其中，IGBT成為第三代電力電子器件的典型代表。3.1.2 按照電力半導(dǎo)體器件控制方式來分類1.不控型2.半控型3.全控型1.
5、不控型這類器件為兩端器件，一般其中一端為陽極，另一端為陰極。其開關(guān)操作僅取決于施加于器件陽、陰極間的電壓，正導(dǎo)通，負(fù)關(guān)斷，流過其中的電流是單方向的。由于其開通和關(guān)斷不能通過器件本身進(jìn)行控制，故這類器件稱為不控型器件，這類器件主要為各種不同類型的功率二極管，比如大功率二極管、快速恢復(fù)二極管和肖特基二極管等。2.半控型這類器件是三端器件，除陽極和陰極外，還增加了一個(gè)控制門極。半控型器件也具有單向?qū)щ娦?，其開通不僅需在其陽、陰極間施加正向電壓，而且必須在門極和陰極間輸入正向可控功率，稱之為“開通可控”。然而這類器件一旦開通，就不
6、能再通過門極控制關(guān)斷，只能從外部改變加在陽、陰極間的電壓極性或強(qiáng)制陽極電流變成零，所以把它們稱為半控型器件。這類器件主要指晶閘管及其派生器件，如雙向型晶閘管、逆導(dǎo)型晶閘管等。3.全控型這一類器件也是帶有控制端的三端器件，其控制端不僅可控制其開通，而且也能控制其關(guān)斷，故稱全控型器件。由于不需要外部提供關(guān)斷條件，僅靠自身控制即可關(guān)斷，所以這類器件常被稱為自關(guān)斷器件。這類器件種類多，工作機(jī)理也不盡相同，包括GTR、GTO、功率MOSFET、IGBT等。3.1.3 按照電力半導(dǎo)體器件驅(qū)動(dòng)方式分類1.電流控制型器件2.電壓控制型器件
7、1.電流控制型器件電流控制型器件必須有足夠的驅(qū)動(dòng)電流才能使器件通斷，因而一般情況下需要較大的驅(qū)動(dòng)功率，這類器件有SCR、GTR、GTO等。2.電壓控制型器件電壓控制型器件的通斷只需要有足夠的電壓和很小的驅(qū)動(dòng)電流就可以，因而電壓控制型器件只需很小的驅(qū)動(dòng)功率。這類器件有IGBT、MOSFET等。3.1.4 按照電力半導(dǎo)體器件中載流子性質(zhì)分類1.雙極型器件2.單極型器件3.混合型器件1.雙極型器件雙極型器件是指在器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子都參與導(dǎo)電過程的半導(dǎo)體器件，這類器件的通態(tài)壓降低、阻斷電壓高、電流容量大，適用于中大容量的
8、變流裝置。常見的有GTR、GTO、GCT(IGCT中的門極換流晶閘管，不包括門極電路)、SITH等。2.單極型器件單極型器件是指器件內(nèi)只有一種載流子(即多數(shù)載流子)參與導(dǎo)電過程的電力半導(dǎo)體器件，典型器件有功率場控晶體管(MOSFET)和靜電感應(yīng)晶體管(SIT，StaticInductionTransis
