大功率变频器及交流传动第二章.pdf

大功率变频器与交流传动 吴斌 第二章 大功率半导体器件 2.1 简介 半导体开关器件的发展本质上就是对理想开关的研究和探索过程。已有大量的研究致力于降 低器件的功率损耗、提高开关频率以及简化门极驱动电路等。开关器件的更新换代，促进了大功 率变频器的发展。而与此同时，大功率变换器在工业传动领域的广泛应用，也促进了电力电子半 导体技术向更大的功率等级发展，具有更高的可靠性和更低的成本。 在各种变换器中所应用的大功率开关器件，主要有两种类型：闸流管型和晶体管型。前者主 要包括晶闸管（SCR ）、门极可关断晶闸管（GTO ）和门极换流晶闸管（GCT ）；后者包括的典 型器件有绝缘栅双极型晶体管（IGBT ）和电子注入增强栅晶体管（Injection Enhanced Gate Transistor, IEGT ）等。还有其它一些器件，例如功率场效应管（Power MOSFET, PMOS ）、发射 极关断晶闸管（Emitter Turn-off Thyristor, ETO ）、MOS关断晶闸管（MOS Controlled Thyristor, MCT ）和静电感应晶体管（Static Induction Transistor, SIT ），这些器件尚未在大功率领域中得到 广泛应用。 [1] 图 2.1-1 给出了大功率变换器所主要采用的一些商用开关器件的电压和电流等级 。半导体厂 商目前可批量提供 12kV/1.5kA 或 4.8kV/5kA 的 SCR；GTO 和 GCT 器件的电压和电流等级分别可 以达到6kV 和 6kA；而IGBT 则相对较低，目前可达到 6.5kV/0.6kA 或 1.7kV/3.6kA 的功率等级。 图2.1-1 大功率半导体器件的电压和电流等级分布 IEEE Press and John Wiley 12 ISBN: 0-4717- 3171-4 大功率变频器与交流传动 吴斌 本章将主要介绍常用的大功率半导体器件的特性，讨论器件串联的静态和动态均压技术，并 对各器件的性能进行比较。 2.2 大功率开关器件 2.2.1 二极管 大功率二极管大体可分为两种：普通型和快恢复型。前者主要用于不控的工频整流器，后者 则可作为续流二极管用于电压源型变换器中。上述二极管作为商用产品主要采用了两种封装技 术：平板压接式和模块式，如图 2.2-1 所示。 图2.2-1 4.5kV/0.8kA 压接式二极管和 1.7kV/1.2kA 模块式二极管 这两种封装二极管的散热装置安装方式有所不同，如图 2.2-2 所示。压接式二极管采用两面 冷却的方式，热阻较小。在大量二极管串联的中压应用中，二极管和散热器仅需两个螺栓进行连 接固定，这种方式使得系统的功率密度很高，且组装成本较低。这就是压接式半导体器件在中压 传动中得到不断普及应用的原因之一。与此不同的是，模块式二极管采用单面散热，绝缘基板隔 离，因此大量的二极管可以被安装在一块散热器上。 P P P 散热器 A B V A A d C N