《電力電子開關(guān)器件》課件

電力電子開關(guān)器件課程主要內(nèi)容安排半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)了解半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)知識(shí)，包括二極管、三極管、可控硅等器件的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性。電力電子變換器學(xué)習(xí)電力電子變換器的基本原理、分類、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，以及應(yīng)用于不同場(chǎng)合的電力電子變換器。電力電子開關(guān)器件重點(diǎn)講解各種電力電子開關(guān)器件，包括IGBT、MOSFET、SiC器件等，及其在電力電子系統(tǒng)中的應(yīng)用。半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)體導(dǎo)體具有自由電子，可以輕松地傳遞電流。絕緣體絕緣體沒有自由電子，很難傳遞電流。半導(dǎo)體半導(dǎo)體介于導(dǎo)體和絕緣體之間，其導(dǎo)電性能可以受到控制。半導(dǎo)體器件的特性1導(dǎo)電特性半導(dǎo)體器件的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，可以通過摻雜改變其導(dǎo)電類型。2非線性特性半導(dǎo)體器件的電流-電壓特性是非線性的，可以通過控制電壓或電流來(lái)控制其導(dǎo)通或截止。3開關(guān)特性半導(dǎo)體器件能夠快速地進(jìn)行開閉切換，適用于高速的電子開關(guān)電路。二極管的工作原理和特性1PN結(jié)二極管由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體材料組成，形成PN結(jié)。2導(dǎo)通特性當(dāng)正向電壓加在二極管上時(shí)，PN結(jié)的勢(shì)壘降低，電流可以流過二極管。3反向特性當(dāng)反向電壓加在二極管上時(shí)，PN結(jié)的勢(shì)壘升高，電流幾乎無(wú)法流過。三極管的工作原理和特性工作原理三極管是一種半導(dǎo)體器件，它可以放大電流信號(hào)。特性三極管具有電流放大、電壓放大、功率放大等特性。類型三極管分為NPN型和PNP型兩種，它們的工作原理和特性相似。應(yīng)用三極管廣泛應(yīng)用于電子電路中，例如放大器、開關(guān)電路、信號(hào)處理等。電能轉(zhuǎn)換原理直流電電流方向始終不變的電流。交流電電流方向周期性變化的電流。電能轉(zhuǎn)換將一種形式的電能轉(zhuǎn)換為另一種形式的電能。整流電路的工作原理1單相半波整流使用一個(gè)二極管，將交流電的正半波整流成直流電2單相全波整流使用兩個(gè)二極管，將交流電的正負(fù)半波整流成直流電3三相整流使用三個(gè)或六個(gè)二極管，將三相交流電整流成直流電二相半控整流電路1結(jié)構(gòu)兩個(gè)單相半控整流電路組成2特點(diǎn)輸出電壓波動(dòng)3應(yīng)用低壓直流電源三相半控整流電路1三相交流電2半控整流橋3直流輸出可控硅的結(jié)構(gòu)和工作原理可控硅是一種由硅材料制成的半導(dǎo)體器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含四個(gè)PN結(jié)?？煽毓杈哂腥齻€(gè)電極：陽(yáng)極、陰極和控制極。通過控制極上的電流可以控制可控硅的導(dǎo)通狀態(tài)?？煽毓韫ぷ髟砘赑N結(jié)的導(dǎo)通特性，當(dāng)控制極電壓達(dá)到一定閾值時(shí)，可控硅進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，電流可通過陽(yáng)極和陰極。單相半控整流電路1工作原理利用可控硅的單向?qū)ㄌ匦?，?shí)現(xiàn)交流電向直流電的轉(zhuǎn)換。2電路組成包含可控硅、負(fù)載、濾波電容和觸發(fā)電路。3控制方式通過調(diào)節(jié)觸發(fā)角，控制輸出直流電壓的大小。三相半控整流電路工作原理三相半控整流電路通常使用可控硅作為控制元件，通過控制可控硅的導(dǎo)通角來(lái)調(diào)節(jié)輸出直流電壓。應(yīng)用三相半控整流電路廣泛應(yīng)用于各種電力電子設(shè)備中，例如直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電焊機(jī)、電解等。優(yōu)勢(shì)與單相半控整流電路相比，三相半控整流電路具有更高的功率密度、更好的電壓紋波抑制性能等優(yōu)勢(shì)。自然換流整流電路1無(wú)控整流通過二極管實(shí)現(xiàn)整流功能。2半控整流使用可控硅或其他半控器件實(shí)現(xiàn)整流功能，可以控制直流輸出電壓。3全控整流通過全控器件，如雙向可控硅，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流輸出電壓和電流的完全控制。交流調(diào)壓電路可控硅調(diào)壓利用可控硅的導(dǎo)通角控制輸出電壓。脈沖寬度調(diào)制(PWM)通過改變脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。變壓器調(diào)壓利用變壓器的匝數(shù)比改變輸出電壓。PWM調(diào)壓電路通過控制脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓.PWM頻率通常在20kHz到100kHz之間.PWM調(diào)壓電路具有效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn).開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)降壓式將高壓直流轉(zhuǎn)換為低壓直流，例如筆記本電腦電源適配器。升壓式將低壓直流轉(zhuǎn)換為高壓直流，例如汽車音響電源。升降壓式將電壓升高或降低，例如太陽(yáng)能電池板電源。開關(guān)電源工作原理直流轉(zhuǎn)換首先，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，通常使用整流橋和濾波器實(shí)現(xiàn)。脈沖寬度調(diào)制通過開關(guān)元件的控制，將直流電轉(zhuǎn)換為高頻脈沖，調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)控制輸出電壓。濾波使用濾波器平滑高頻脈沖，得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。反饋控制通過反饋回路，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓，并調(diào)整脈沖寬度，保持輸出電壓穩(wěn)定。開關(guān)電源的損耗分析導(dǎo)通損耗開關(guān)損耗磁芯損耗線路損耗其他損耗開關(guān)電源的損耗主要包括導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、磁芯損耗、線路損耗等。開關(guān)電源的功率因數(shù)功率因數(shù)定義高功率因數(shù)高效率，低諧波失真低功率因數(shù)低效率，高諧波失真電力電子變換器的分類按功能劃分交流-直流變換器（整流器）直流-直流變換器（DC-DC變換器）直流-交流變換器（逆變器）交流-交流變換器（變頻器）按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分單相橋式變換器三相橋式變換器Boost變換器Buck變換器Buck-Boost變換器電力電子變換器的應(yīng)用電力系統(tǒng)電力電子變換器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各種領(lǐng)域，例如高壓直流輸電、電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制等。電機(jī)控制電力電子變換器可以用于控制電機(jī)速度、轉(zhuǎn)矩和方向，例如在電動(dòng)汽車、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。新能源發(fā)電電力電子變換器是將太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵設(shè)備，例如光伏逆變器、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等。IGBT器件的特性1高功率容量IGBT能夠處理大電流和高電壓，非常適合電力電子應(yīng)用。2快速開關(guān)速度IGBT具有比傳統(tǒng)電力器件更快的開關(guān)速度，這有助于提高效率和減少損耗。3高可靠性IGBT具有較高的可靠性，使其成為電力電子系統(tǒng)中理想的選擇。IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路1IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路是IGBT的關(guān)鍵組成部分，負(fù)責(zé)向IGBT柵極提供合適的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制IGBT的開關(guān)狀態(tài)。2驅(qū)動(dòng)信號(hào)的特性驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要滿足一定的電壓幅值、上升下降時(shí)間、電流驅(qū)動(dòng)能力等要求，以保證IGBT可靠地開關(guān)。3驅(qū)動(dòng)電路的類型常見的IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路類型包括單極驅(qū)動(dòng)、雙極驅(qū)動(dòng)、自舉驅(qū)動(dòng)等，不同的類型適合不同的應(yīng)用場(chǎng)景。4驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)為了防止IGBT柵極被過壓或過流損壞，驅(qū)動(dòng)電路通常需要加入過壓保護(hù)、過流保護(hù)等措施。IGBT變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1單相橋式適用于小功率應(yīng)用2三相橋式適用于中高功率應(yīng)用3多電平適用于高壓、大功率應(yīng)用IGBT變流器控制方法1脈寬調(diào)制(PWM)通過改變IGBT的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)控制輸出電壓和電流。2空間矢量調(diào)制(SVM)通過改變IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)來(lái)合成所需的輸出電壓。3直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，無(wú)需速度反饋，響應(yīng)速度快。電力電子變換器用電感濾波電感濾波器在直流輸出端串聯(lián)，用于平滑電流和電壓波紋。電感濾波器抑制輸出電流和電壓的諧波，提高功率因數(shù)。電感濾波器儲(chǔ)存能量，在開關(guān)周期內(nèi)釋放能量，降低開關(guān)損耗。電力電子變換器用電容濾波電解電容電解電容具有高容量和低成本的優(yōu)點(diǎn)，但存在耐壓低和頻率特性差的缺點(diǎn)。陶瓷電容陶瓷電容具有高耐壓和頻率特性好，但容量較小的特點(diǎn)，適用于高頻應(yīng)用。薄膜電容薄膜電容具有低損耗和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，但容量和耐壓相對(duì)較低，成本較高。電力電子變換器的熱管理散熱器散熱器