电力半导体开关器件-2014.pdf

电力半导体开关器件 1 概述 2 电力二极管D 3 双极性结型晶体管BJT 4 金属氧化物场效应晶体管MOSFET 5 晶闸管SCR 6 门极关断晶闸管GTO 7 MOS关断晶闸管MTO 8 发射极关断晶闸管ETO 9 集成门极换流晶闸管GCT、IGCT 10 绝缘门极双极性晶体管IGBT 11 MOS控制晶闸管MCT 1 12 小结 1 概述：机械开关与电力半导体开关器件 电力电子开关器件与机械开关一样，有两种开关状态： 通态（等效电阻近似为零），断态（等效电阻近似无 限大）；有两种过渡过程：开通，关断。其主要优点 是开通关断过程很快，适宜于电力变换和控制；主要 缺点是通不全通，断不全断，因而通态损耗大，断路 时不能隔离电路。 2 1 概述：电力半导体开关器件的重要性 FACTS应用要求：三相交流，几十至几百MVA； 现有电力半导体开关器件水平：1～5kA、5～10kV、0～ 50MVA，器件利用率25～50％； 系统、装置、组件、管阀、元器件； 大功率AC/DC、DC/AC变换器或交流开关均由大量电力半导体 开关器件串、并联构成； 模块化、标准化，可靠性、冗余、分步投资； 电力半导体开关器件的耐量、特性和应用严重影响FACTS控 制器的造价、性能、大小、重量、损耗。 3 1 概述：电力半导体开关器件的分类 可控性：不控、半控和全控器件； 物理本质：二极管、晶体管和晶闸管系列。 二极管：阳极、阴极，双层结构，单向导通能力，正向开通、 反向关断， D ； 晶体管：集电极、发射极、基极，三层结构，开关速度快、 开关损耗小， BJT、IGBT、MOSFET ； 晶闸管：阳极、阴极、门极，四层结构，半控、全控器件， 对称、不对称器件，通态损耗小、功率处理能力强，SCR、 GTO、MTO、ETO、IGCT、MCT。 4 1 概述：电力晶闸管系列 SCR： GE发明，硅控整流器，PNPN正反馈原理， 现称晶闸 管，可控开通、不控关断，通态压降1.5～3V，ms级恢复时 间，便宜、可靠、耐量大，HVDC、FACTS应用广泛，器件主 力军； GTO：GE发明，可控开通、可控关断，门极驱动复杂、驱动 功率较大，关断慢、缓冲代价高，FACTS应用广泛； MTO：SPCO发明，MOS管辅助关断，关断快、关断损耗小， FACTS应用潜力； ETO：VPEC＋SPCO发明，低压MOS管和高压GTO串联，关断快、 关断损耗小； GCT、IGCT：Mitsubishi＋ABB发明，硬关断GTO改进封装， 关断快、关断损耗小，FACTS应用潜力； MCT：GE发明，集成MOS结构加快开通和关断过程，开关损耗 低、通态损耗小，FACTS应用潜力。 5 1 概述： 典型电力 半导体开 关器件 6 1 概述：电力半导体开关器件耐量  高纯单晶硅圆：φ75～125－150mm，半导体，击穿电压2000kV/cm，导 电性在金属和绝缘材料之间，掺杂改变电压和电流耐量，125mm晶圆器 件电压6000～10000V、电流3000～4000A。  电压耐量：SCR 8～10kV，GTO 5～8kV，IGBT 3～5kV，可用电压大约 为阻断电压的一