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電力電子器件

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電力電子器件(Power Electronic Device)又稱為功率半導體器件,主要用於電力設備的電能變換和控制電路方面的大功率電子器件(通常指電流為數十至數千安,電壓為數百伏以上)。

 

1 電力電子器件 -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功率二極體,包括功率整流二極體、肖特基二極體、齊納穩壓管和二極體組件。②功率三極體,包括功率達林頓晶體管、MOS功率場效應晶體管、隔離柵晶體管、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。功率二極體是二端器件(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,其門極信號能控制元件的導通,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,其門極信號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,廣泛應用於整流、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  電力電子器件正沿著大功率化、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,取決於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,卻導致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態功率損耗的要求。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,但維持通態比其他功率可控器件需要更大的基極驅動電流。由於存在熱激發二次擊穿現象,限制它的抗浪涌能力。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, 由於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,器件並聯簡單,且具有較好的線性輸出特性和較小的驅動功率;在製造工藝上便於大規模集成。但它的通態壓降較大,製造時對材料和器件工藝的一致性要求較高。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、隔離柵晶體管,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。例如隔離柵晶體管,既具有MOS功率場效應晶體管的柵控特性,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几倍。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,在更高的頻率範圍內滿足了電力電子技術的要求。
  功率集成電路指在一個晶元上把多個器件及其控制電路集合在一起。其製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。這種器件由於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於高頻工作狀態時寄生參數的影響,這對提高電路工作頻率和抑制外界干擾十分重要。
  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,主要用於相控電路。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佔全國用電量的1/3,若採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體的功能。它們把電力電子技術的應用推進到了以逆變、斬波為中心內容的新領域。這些器件已普遍應用於變頻調速、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著智能化、高頻化的方向發展。

 

2 電力電子器件 -配圖

 

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