1、本科毕业论文（20 届）固态高压开关技术研究发展所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -固态高压开关技术研究发展摘要随着现代化工业的深入发展，用户对配电系统的要求不断提高，尤其是一些电网中敏感负载的数量不断地增加，对电能质量和电力系统的稳定性提出了更高的要求，如何快速断开短路电流，以抑制故障期间电压的跌落，提高电力系统的稳定性显得非常重要。目前，配电线路中多采用的是传统的高压开关，但该类型的高压开关有着明显的缺点，如开关速度较慢、有电弧、使用寿命短等，因此由电力电子器件组成的固态高压开关因其优越的电流关断性引
2、起了广泛的关注。由电力电子器件组成的固态高压开关具有开关速度快、无电弧、寿命长等优点，因开断器件不同，可分为基于晶闸管型、基于 GTO 型、基于IGBT 型、基于 IGCT 型以及将电力电子器件同机械开关结合的混合型断路器等，但这些固态高压开关也存在一定的缺点。本文就是研究它们的技术、不足及未来发展方向。本文从高压开关、固态高压开关的概念入手，分析了固态高压开关的结构与工作原理，并介绍其发展史。其次，按照所含有的电力电子器件的不同，分别对晶闸管型、GTO 型、IGBT 型和 IGCT 型的固态高压开关的技术进行研究分析，对均压、均流、通态损耗、同步控制、实时检测等技术瓶颈问题进行了阐述，最后对
3、其未来发展方向进行分析。关键词 固态高压开关；电力电子；高压开关；哈尔滨理工大学学士学位论文- II -Technical research and development of solid state high voltage switchAbstractWith the development of modern industry， higher performance standards for electric power distribution system are continually presented by users， the number of sensitive lo
4、ad facilities is increasing very fast， which makes more requirements on electrical power quality and stability of power system. How to break out the fault current within a short time to suppress voltage sag and enhance stability of power system becomes very important. Currently， the traditional mech
5、anical circuit breakers are adopted in transmission line， but they have some disadvantages such as low switching speed， electric arc and short operation life， etc. Thus， solid-state circuit breaker based on power electronic switching devices is given widespread concern since the advent of them due t
6、o their outstanding performance of the switch current.The solid-state high voltage switch has the advantages such as high switching speed， no electric are and long operation. The solid-state circuit breakers can be divided into several kinds， such as solid-state high voltage switch based on SCR， sol
7、id-state high voltage switch based on GTO， solid-state high voltage switch based on IGBT， solid-state high voltage switch based on IGCT et al. But those solid-state high voltage switch all have the disadvantages more all less. This article is a study of their technology， insufficient and future dire
8、ction. From the high voltage switch， solid state high voltage switch concept， this paper analyzes the structure and working principle of solid-state high voltage switch， and describes the development history. Second， according to the difference of the power electronic devices， research SCR type， 哈尔滨
9、理工大学学士学位论文- III -GTO， IGBT and IGCT type solid-state high-voltage switching technology， and find out the pressure， an average current， on-state losses， synchronization control， real-time detection technology bottlenecks， the last of its future development direction of analysis. Keywords Solid-state
10、high voltage switch， Power electronics， high voltage switch哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 固态高压开关研究背景 .11.1.1 电力电子技术的发展 .11.1.2 电力电子器件的发展 .21.2 固态高压开关研究意义 .31.3 本章小结 .4第 2 章 固态高压开关简介 .52.1 高压开关概述 .52.1.1 高压开关的用途与分类 .52.1.2 高压开关的发展 .52.2 固态高压开关概述 .62.2.1 固态高压开关的概念 .62.2.2 固态高压开关的结
11、构 .62.2.3 固态高压开关的工作原理 .72.2.4 固态高压开关的发展 .72.3 本章小结 .9第 3 章 固态高压开关的技术研究 .103.1 半控型固态高压开关 .103.1.1 电力电子器件 SCR 简介 .103.1.1.2 半控型固态高压开关的拓扑结构及工作原理 .133.2 全控型固态高压开关 .143.2.1 GTO 型固态高压开关 .143.2.2 IGBT 型固态高压开关 .163.2.3 IGCT 型固态高压开关 .233.3 本章小结 .26第 4 章 固态高压开关的技术瓶颈和发展方向 .274.1 固态高压开关的技术瓶颈 .274.1.1 驱动脉冲的同步控制问
12、题 .274.1.2 通态损耗问题 .274.1.3 均压和均流问题 .274.1.4 IGBT 串并联技术不完善 .27哈尔滨理工大学学士学位论文- V -4.1.5 故障电压、电流的实时检测 .274.2 固态高压开关的发展方向与展望 .284.3 本章小结 .28结论 .29致谢 .30参考文献 .31附录 .34哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 固态高压开关研究背景随着电力系统的迅速发展，现代电力系统面临一系列新的矛盾和问题，也面临前所未有的挑战：电力系统不断扩大，电网短路电流水平迅速提高，现有的断路器如油断路器、空气断路器等，动作速度慢，灭弧困难，断流容量受
13、到限制，难以满足急剧增大的断流容量的要求；在许多场合，特别是对于电力系统稳定控制，开关的速度是关键所在，因此如何快速、安全的开断故障电流显得日趋重要。而机械惯性限制了机械式控制动作速度的提高，严重阻碍了在事故处理及系统稳定控制中的应用，并且机械动作可靠性差、器件寿命短，也已经无法满足电力系统的要求。因此，基于电力电子器件的固态高压开关因其卓越的电流关断性使其自问世以来便引起广泛的关注。同时，现代电力电子技术和电力电子器件的迅速发展，为固态高压开关的研制提供了坚实的物质基础和技术背景 1。1.1.1 电力电子技术的发展电力电子技术是一门以电力为对象，采用功率半导体器件(电力电子器件)做工具，通过
14、弱电对强电的控制，实现电能变换与控制的技术。电力电子技术的发展与电力电子器件的发展密不可分。50 年代末晶闸管的问世标志了电力电子技术的开端，从此电子技术向着两个分支发展，一支是以晶体管集成电路为核心形成的对信息处理的微电子技术，其发展特点是集成度越来越高，集成规模越来越大，各种功能越来越全；另一支是以电力半导体器件为核心用于完成电力处理的电力电子技术，其发展的特点是器件越来越多，功率越来越大，性能越来越好。通常认为，1957 年第一只晶闸管(SCR)发明之日即为电力电子技术诞生之时，在以后的五十几年时间里，电力电子技术的发展大体可划分为两个阶段：1957 年1980 年：传统电力电子技术；1
15、980 年至今：现代电力电子技术。事实上，电力电子技术的产生和发展依赖于电力电子器件的不断涌现和发展。按照功能与结构特点，电力电子器件的发展可分为三个发展阶段：第一代电力电子器件以晶闸管为代表，包括普通晶闸管(SCR)、快速晶闸管、逆导晶闸管(RCT)、双向晶闸管(TRIAC)、不对称晶闸管 (ASCR)等等。以第一代电力电子器件为基础发展起来的电力电子技术通常称之为传统电力电子阶段。第二代电力电子器件是从 70 年代末期开始发展的，电力电子技术的哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -发展对器件提出了更高的要求，微电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而导致了第二代电力电子器件的出现和迅
16、速发展。因此，电力电子技术迈入了现代电力电子技术的发展阶段。第二代电力电子器件在技术上是既能被控制导通，也能被控制关断的“全控型”或“自关断型”器件，它们在结构上是把若干个(直至数十万个)具有相同功能的元件进行并联集成的。出现在 80 年代中期的第三代电力电子产品智能功率集成电路（Smart Power IC） ，进一步把具有不同功能的功率单元、逻辑单元、传感单元、测量单元和保护单元等集于一体，不仅具有电路的功能，而且实现了器件与电路的集成，是强电和弱电相结合，功率与信息的统一。国外有人认为，Smart Power IC 的出现，使人类站在了第二次电子学革命的边缘。应该说，第二次电子学革命是电
17、力电子技术与微电子技术、计算机技术在器件和应用各个层次上融合发展的结果。总之，现代电力电子技术已成为信息产业和传统产业之间的重要接口，弱电和被控强电之间的桥梁。它不仅是机电一体化中的一项关键技术，而且也是在广泛应用领域内支持多项高新技术发展的基础技术。电力电子技术的最终发展必将会大幅度节约电能、降低材料消耗、提高生产效率。1.1.2 电力电子器件的发展自 1957 年普通晶闸管问世发展到 1980 年，电力电子器件的发展己经历了三代，传统的电力电子器件已由普通晶闸管衍生出了快速晶闸管，逆导晶闸管(RCT)，双向晶闸管(TRIAC)，不对称晶闸管 (ASCR)等等，从而形成了一个 SCR 大家族
18、，传统的电力电子器件己发展到相当成熟的地步。70 年代后期，可关断晶闸管(GTO) 、电力晶体管(GTR)及其模块相继实用化，在中大容量的变流装置中，传统的 SCR 逐渐被这些新型器件取代。此后，各种高频化全控型器件不断地问世，并得到迅速发展，逐渐形成了一个新型的全控型电力电子器件的大家族。80 年代中期，第三代产品Smart Power IC 功率集成电路问世。目前 SCR、 TRIAC、ASCR 等第一代电力电子器件的发展己处于成熟期、饱和期或接近衰减期的位置，与此相反，第二、第三代新型器件正在迅速发展。在电力电子电路中，电力电子器件的作用类似于一个开关。根据导通、关断的受控情况，电力电子
19、器件可作如下分类：l)不可控器件：这种器件通常为双端器件，其导通与关断取决于它在电路中的工作条件，与控制电路无直接联系。2)半控型器件：这种器件通常为三端器件，通过控制信号只能控制其开通而不能控制其关断，如 SCR 等传统电力电子器件。3)全控型器件：这种器件也为三端器件。通过控制信号，既可以控制其开通，又可以控制其关断，如哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -GTO、 GTR、MOSFET 、IGBT、IGCT、ETO 等。在半导体器件中存在两种基本载流子自由电子和空穴，器件中流过的电流是由器件体内载流子在外界条件作用下扩散、漂移、复合而形成的。按器件内部载流子参与导电的情况，电力电子器件又可
20、分为双极型、单极型和复合型三类。1)双极型器件：所谓双极型器件是指器件内部自由电子和空穴两种载流子都参与导电的半导体器件。常见的双极型器件有：SCR、GTO、GTR和 SITH 等。这类器件的特点是：通态压降低，阻断电压高，电流容量大，但工作频率低。适用于大、中容量的变流设备。2)单极型器件：所谓单极型器件是指器件内只有一种载流子(多数载流子)参与导电的半导体器件。这类器件目前已经商品化的有两种，即功率场效应晶体管(Power MOSFET)和静电感应晶体管 SIT(Static Induction Transistor)。单极型器件的特点是：输入阻抗高，抗干扰能力强，开关特性好，工作频率高。
21、适用于高频工作的中小容量设备，比如：无线电发射、机器人传动装置等。3)复合型器件：所谓复合型器件是指双极型和单极型器件的集成混合。复合型器件既具有 GTR、GTO、SCR 等双极型器件的电流密度大、通态压降低的优点，同时又具有 MOSFET 等单极型器件的输入阻抗高、响应速度快、控制简单等优点。因此，这类新型器件已引起人们的高度重视。目前已开发的复合型器件主要有：IGBT、MCT 等。电力电子器件的发展标志着固态高压开关的发展，只有电力电子器件不断地完善，才会研发出新型的固态高压开关，满足当下电力系统的要求。1.2 固态高压开关研究意义基于电力电子器件的固态高压开关因其优越的电流关断性能，使其
22、自问世以来便引起广泛的关注。在国外，尤其是发达国家如日本、德国早在十几年前己开发出完全由电力电子器件构成的固态高压开关，己形成许多品种、规格的系列产品。在我国，固态高压开关的研发也逐渐得到重视，越来越多的固态高压开关正在进入市场。与传统高压开关相比，固态高压开关具有开断时间短、无声响、无弧光、无关断死区、寿命长及工作可靠性高等特点，使固态高压开关具有较高的推广和应用价值。固态高压开关是利用电力电子器件作为无触点开关装置，克服了机械式开关的缺点，在系统开通关断瞬间不会产生电弧，延长开关使用寿命，可避免开关投切过程中在电力系统中引起的操作过电压。因此可使电力设备绝缘水平大幅度降低，由于操作不当而引起设备(包括开关本身)的损坏也可大大减少。同时，由于电力电子器件的通断时间在微秒甚至纳秒级，故而使得断路器的动作速度大大提高。此优点在一些对开关动作要求较高的场合，如超快速哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -负荷开关、限流断路器及转换开关中有较为广阔的应用前景。所以这种技术在国外已经得到广泛应用，而在国内也逐渐得到重视和推广。进一步研究和改进固态断路器将有着很好的实用意义。1.3 本章小结本章简单介绍了固态高压开关的研究背景和研究意义，阐述了固态高压开关是随着电力电子技术和电力电子器件的发展而进行的，为后文介绍固态开关做铺垫。
