電力電子器件

電力電子器件

科技術語
電力電子器件(Power Electronic Device)又稱為功率半導體器件,功率半導體器件(Power Semiconductor Device)又稱電力電子器件(Power Electronic Device)。1940年貝爾實驗室在研究雷達探測整流器時,發現矽存在PN結效應,1958年美國通用電氣(GE)公司研發出世界上第一個工業用普通晶閘管,标志着電力電子技術的誕生。[1]從此功率半導體器件的研制及應用得到了飛速發展,并快速成長為電子制造業的核心器件之一,還獨立成為電子電力學科。主要用于電力設備的電能變換和控制電路方面大功率的電子器件(通常指電流為數十至數千安,電壓為數百伏以上)。80年代發展起來的靜電感應晶閘管、隔離栅晶體管,以及各種組合器件,綜合了晶閘管、 MOS功率場效應晶體管和功率晶體管各自的優點,在性能上又有新的發展。70年代中期出現的全控型可關斷晶閘管和功率晶體管,開關速度快,控制簡單,逆導可關斷晶閘管更兼容了可關斷晶閘管和快速整流二極管的功能。
    中文名:電力電子器件 外文名:Power Electronic Device 所屬品牌: 産品類型: 又稱:功率半導體器件 類型:電子器件

發展

功率器件幾乎用于所有的電子制造業,包括計算機領域的筆記本、PC、服務器、顯示器以及各種外設;網絡通信領域的手機、電話以及其它各種終端和局端設備;消費電子領域的傳統黑白家電和各種數碼産品;工業控制類中的工業PC、各類儀器儀表和各類控制設備等。

除了保證這些設備的正常運行以外,功率器件還能起到有效的節能作用。由于電子産品的需求以及能效要求的不斷提高,中國功率器件市場一直保持較快的發展速度。

國家統計局數據顯示,2010年中國功率器件行業共有規模以上企業498家,全行業實現銷售收入1015.11億元,同比增長6.86%;實現利潤總額85.27億元,同比增長47.54%。從企業經濟類型來看,三資企業數量最多,其企業數量占行業數量的47.19%。從企業數量、銷售收入以及資産規模來看,江蘇、廣東和浙江等省所占的份額居多。

優缺點

電力二極管:結構和原理簡單,工作可靠;

晶閘管:承受電壓和電流容量在所有器件中最高

IGBT:開關速度高,開關損耗小,具有耐脈沖電流沖擊的能力,通态壓降較低,輸入阻抗高,為電壓驅動,驅動功率小;缺點:開關速度低于電力MOSFET,電壓,電流容量不及GTO

GTR:耐壓高,電流大,開關特性好,通流能力強,飽和壓降低;缺點:開關速度低,為電流驅動,所需驅動功率大,驅動電路複雜,存在二次擊穿問題

GTO:電壓、電流容量大,适用于大功率場合,具有電導調制效應,其通流能力很強;缺點:電流關斷增益很小,關斷時門極負脈沖電流大,開關速度低,驅動功率大,驅動電路複雜,開關頻率低

MOSFET:開關速度快,輸入阻抗高,熱穩定性好,所需驅動功率小且驅動電路簡單,工作頻率高,不存在二次擊穿問題;缺點:電流容量小,耐壓低,一般隻适用于功率不超過10kW的電力電子裝置。

制約因素:耐壓,電流容量,開關的速度。

正文

電力電子技術的發展,不僅要求提高電力電子器件的控制功率容量和工作頻率,而且要求降低器件的功率損耗,縮小器件及其控制電路的體積。半導體技術的新成就,為此提供了必要的物質基礎。80年代,普通晶閘管已能開關數千安的電流和承受數千伏的正、反向工作電壓。在此基礎上又開發了雙向晶閘管、光控晶閘管、門極可關斷晶閘管、逆導晶閘管等一系列派生器件。與此同時還開拓了單極型MOS功率場效應晶體管,雙極型功率晶體管、靜電感應晶閘管、功能組合模塊和功率集成電路等嶄新的電力電子器件。

分類電力電子器件通常可分為三大類:①功率二極管,包括功率整流二極管、肖特基二極管、齊納穩壓管和二極管組件。②功率三極管,包括功率達林頓晶體管、MOS功率場效應晶體管、隔離栅晶體管、功率靜電感應晶體管。③晶閘管系列,主要是晶閘管及其派生器件,有普通晶閘管、雙向晶閘管、逆導晶閘管、不對稱晶閘管、門極輔助關斷晶閘管、光控晶閘管、可關斷晶閘管、靜電感應晶閘管。當然,還可以作其他的分類,但這是一種簡要的分類方法。

工作特性各種電力電子器件均具有導通和阻斷二種工作特性。功率二極管是二端器件(指陰極和陽極二端),其器件電流由伏安特性決定,除了改變加在二端間的電壓外,無法控制其陽極電流,故稱不可控器件。普通晶閘管是三端器件,其門極信号能控制元件的導通,但不能控制其關斷,稱半控型器件。可關斷晶閘管、功率晶體管等器件,其門極信号既能控制器件的導通,又能控制其關斷,稱全控型器件。半控型和全控型電力電子器件控制靈活,電路簡單,開關速度快,廣泛應用于整流、逆變、斬波電路中,是電動機調速、發電機勵磁、感應加熱、電鍍、電解、直流輸電等電力電子裝置中的核心部件。

進展電力電子器件正沿着大功率化、高頻化、集成化的方向發展。80年代晶閘管的電流容量已達6000安,阻斷電壓高達6500伏。但這類器件工作頻率較低。提高其工作頻率,取決于器件關斷期間如何加快基區少數載流子(簡稱少子)的複合速度和經門極抽取更多的載流子。降低少子壽命雖能有效地縮短關斷電流的過程,卻導緻器件導通期正向壓降的增加。因此必須兼顧轉換速度和器件通态功率損耗的要求。

80年代這類器件的最高工作頻率在10千赫以下。雙極型大功率晶體管可以在100千赫頻率下工作,其控制電流容量已達數百安,阻斷電壓1千多伏,但維持通态比其他功率可控器件需要更大的基極驅動電流。由于存在熱激發二次擊穿現象,限制它的抗浪湧能力。進一步提高其工作頻率仍然受到基區和集電區少子儲存效應的影響。70年代中期發展起來的單極型MOS功率場效應晶體管,由于不受少子儲存效應的限制,能夠在兆赫以上的頻率下工作。

這種器件的導通電流具有負溫度特性,不易出現熱激發二次擊穿現象;需要擴大電流容量時,器件并聯簡單,且具有較好的線性輸出特性和較小的驅動功率;在制造工藝上便于大規模集成。但它的通态壓降較大,制造時對材料和器件工藝的一緻性要求較高。到80年代中、後期電流容量僅達數十安,阻斷電壓近千伏。

80年代發展起來的靜電感應晶閘管、隔離栅晶體管,以及各種組合器件,綜合了晶閘管、 MOS功率場效應晶體管和功率晶體管各自的優點,在性能上又有新的發展。例如隔離栅晶體管,既具有MOS功率場效應晶體管的栅控特性,又具有雙極型功率晶體管的電流傳導性能,它容許的電流密度比雙極型功率晶體管高幾倍。靜電感應晶閘管保存了晶閘管導通壓降低的優點,結構上避免了一般晶閘管在門極觸發時必須在門極周圍先導通然後逐步橫向擴展的過程,所以比一般晶閘管有更高的開關速度,而且容許的結溫升也比普通晶閘管高。這些新器件,在更高的頻率範圍内滿足了電力電子技術的要求。

功率集成電路指在一個芯片上把多個器件及其控制電路集合在一起。其制造工藝既概括了第一代功率電子器件向大電流、高電壓發展過程中所積累起來的各種經驗,又綜合了大規模集成電路的工藝特點。這種器件由于很大程度地縮小了器件及其控制電路的體積,因而能夠有效地減少當器件處于高頻工作狀态時寄生參數的影響,這對提高電路工作頻率和抑制外界幹擾十分重要。

從60年代到70年代初期,以半控型普通晶閘管為代表的電力電子器件,主要用于相控電路。這些電路十分廣泛地用在電解、電鍍、直流電機傳動、發電機勵磁等整流裝置中,與傳統的汞弧整流裝置相比,不僅體積小、工作可靠,而且取得了十分明顯的節能效果(一般可節電10~40%,從中國的實際看,因風機和泵類負載約占全國用電量的1/3,若采用交流電動機調速傳動,可平均節電20%以上,每年可節電400億千瓦時),因此電力電子技術的發展也越來越受到人們的重視。

70年代中期出現的全控型可關斷晶閘管和功率晶體管,開關速度快,控制簡單,逆導可關斷晶閘管更兼容了可關斷晶閘管和快速整流二極管的功能。它們把電力電子技術的應用推進到了以逆變、斬波為中心内容的新領域。這些器件已普遍應用于變頻調速、開關電源、靜止變頻等電力電子裝置中。

80年代初期出現的MOS功率場效應晶體管和功率集成電路的工作頻率達到兆赫級。集成電路的技術促進了器件的小型化和功能化。這些新成就為發展高頻電力電子技術提供了條件,推動電力電子裝置朝着智能化、高頻化的方向發展。

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