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电力电子器件

发布时间:Mar 09, 2019         已有 人浏览

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  电力电子器件(Power Electronic Device)又称为功率半导体器件,主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件(通常指电流为数十至数千安,电压为数百伏以上)。

  功率器件几乎用于所有的电子制造业,包括计算机领域的笔记本、PC、服务器、显示器以及各种外设;网络通信领域的手机、电话以及其它各种终端和局端设备;消费电子领域的传统黑白家电和各种数码产品;工业控制类中的工业PC、各类仪器仪表和各类控制设备等。

  除了保证这些设备的正常运行以外,功率器件还能起到有效的节能作用。由于电子产品的需求以及能效要求的不断提高,中国功率器件市场一直保持较快的发展速度。

  国家统计局数据显示,2010年中国功率器件行业共有规模以上企业498家,全行业实现销售收入1015.11亿元,同比增长6.86%;实现利润总额85.27亿元,同比增长47.54%。从企业经济类型来看,三资企业数量最多,其企业数量占行业数量的47.19%。从企业数量、销售收入以及资产规模来看,江苏、广东和浙江等省所占的份额居多

  20世纪50年代,电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管,因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快,而在电力电子电路中得到广泛应用。70年代初期,已逐步取代了汞弧闸流管。80年代,普通晶闸管的开关电流已达数千安,能承受的正、反向工作电压达数千伏。在此基础上,为适应电力电子技术发展的需要,又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件,以及单极型MOS功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。

  各种电力电子器件均具有导通和阻断两种工作特性。功率二极管是二端(阴极和阳极)器件,其器件电流由伏安特性决定,除了改变加在二端间的电压外,无法控制其阳极电流,故称不可控器件。普通晶闸管是三端器件,其门极信号能控制元件的导通,但不能控制其关断,称半控型器件。可关断晶闸管、功率晶体管等器件,其门极信号既能控制器件的导通,又能控制其关断,称全控型器件。后两类器件控制灵活,电路简单,开关速度快,广泛应用于整流、逆变、斩波电路中,是电动机调速、发电机励磁、感应加热、电镀、电解电源、直接输电等电力电子装置中的核心部件。这些器件构成装置不仅体积小、工作可靠,而且节能效果十分明显(一般可节电10%~40%)。

  单个电力电子器件能承受的正、反向电压是一定的,能通过的电流大小也是一定的。因此,由单个电力电子器件组成的电力电子装置容量受到限制。所以,在实用中多用几个电力电子器件串联或并联形成组件,其耐压和通流的能力可以成倍地提高,从而可极大地增加电力电子装置的容量。器件串联时,希望各元件能承受同样的正、反向电压;并联时则希望各元件能分担同样的电流。但由于器件的个异性,串、并联时,各器件并不能完全均匀地分担电压和电流。所以,在电力电子器件串联时,要采取均压措施;在并联时,要采取均流措施。

  电力电子器件工作时,会因功率损耗引起器件发热、升温。器件温度过高将缩短寿命,甚至烧毁,这是限制电力电子器件电流、电压容量的主要原因。为此,必须考虑器件的冷却问题。常用冷却方式有自冷式、风冷式、液冷式(包括油冷式、水冷式)和蒸发冷却式等。

  2.全控型器件,例如GTO(门极可关断晶闸管)、GTR(电力晶体管),Power MOSFET(电力场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管);

  1.电压驱动型器件,例如IGBT、Power MOSFET、SITH(静电感应晶闸管);

  2.单极型器件,例如PowerMOSFET、SIT、肖特基势垒二极管;

  3.复合型器件,例如MCT(MOS控制晶闸管)、IGBT、SITH和IGCT。

  IGBT:开关速度高,开关损耗小,具有耐脉冲电流冲击的能力,通态压降较低,输入阻抗高,为电压驱动,驱动功率小;缺点:开关速度低于电力MOSFET,电压,电流容量不及GTO

  GTR:耐压高,电流大,开关特性好,通流能力强,饱和压降低;缺点:开关速度低,为电流驱动,所需驱动功率大,驱动电路复杂,存在二次击穿问题

  GTO:电压、电流容量大,适用于大功率场合,具有电导调制效应,其通流能力很强;缺点:电流关断增益很小,关断时门极负脉冲电流大,开关速度低,驱动功率大,驱动电路复杂,开关频率低

  电力MOSFET:开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好,所需驱动功率小且驱动电路简单,工作频率高,不存在二次击穿问题;缺点:电流容量小,耐压低,一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

  电力电子器件正沿着大功率化、高频化、集成化的方向发展。80年代晶闸管的电流容量已达6000安,阻断电压高达6500伏。但这类器件工作频率较低。提高其工作频率,取决于器件关断期间如何加快基区少数载流子(简称少子)的复合速度和经门极抽取更多的载流子。降低少子寿命虽能有效地缩短关断电流的过程,却导致器件导通期正向压降的增加。因此必须兼顾转换速度和器件通态功率损耗的要求。80年代这类器件的最高工作频率在 10千赫以下。双极型大功率晶体管可以在100千赫频率下工作,其控制电流容量已达数百安,阻断电压1千多伏,但维持通态比其他功率可控器件需要更大的基极驱动电流。由于存在热激发二次击穿现象,限制它的抗浪涌能力。进一步提高其工作频率仍然受到基区和集电区少子储存效应的影响。70年代中期发展起来的单极型MOS功率场效应晶体管, 由于不受少子储存效应的限制,能够在兆赫以上的频率下工作。这种器件的导通电流具有负温度特性,不易出现热激发二次击穿现象;需要扩大电流容量时,器件并联简单,且具有较好的线性输出特性和较小的驱动功率;在制造工艺上便于大规模集成。但它的通态压降较大,制造时对材料和器件工艺的一致性要求较高。到80 年代中、后期电流容量仅达数十安,阻断电压近千伏。

  从60年代到70年代初期,以半控型普通晶闸管为代表的电力电子器件,主要用于相控电路。这些电路十分广泛地用在电解、电镀、直流电机传动、发电机励磁等整流装置中,与传统的汞弧整流装置相比,不仅体积小、工作可靠,而且取得了十分明显的节能效果(一般可节电10~40%,从中国的实际看,因风机和泵类负载约占全国用电量的1/3,若采用交流电动机调速传动, 可平均节电20%以上,每年可节电400亿千瓦时),因此电力电子技术的发展也越来越受到人们的重视。70年代中期出现的全控型可关断晶闸管和功率晶体管,开关速度快,控制简单,逆导可关断晶闸管更兼容了可关断晶闸管和快速整流二极管的功能。它们把电力电子技术的应用推进到了以逆变、斩波为中心内容的新领域。这些器件已普遍应用于变频调速、开关电源、静止变频等电力电子装置中。

  80年代初期出现的 MOS功率场效应晶体管和功率集成电路的工作频率达到兆赫级。集成电路的技术促进了器件的小型化和功能化。这些新成就为发展高频电力电子技术提供了条件,推动电力电子装置朝着智能化、高频化的方向发展。

  80年代发展起来的静电感应晶闸管、隔离栅晶体管,以及各种组合器件,综合了晶闸管、 MOS功率场效应晶体管和功率晶体管各自的优点,在性能上又有新的发展。例如隔离栅晶体管,既具有MOS功率场效应晶体管的栅控特性,又具有双极型功率晶体管的电流传导性能,它容许的电流密度比双极型功率晶体管高几倍。静电感应晶闸管保存了晶闸管导通压降低的优点,结构上避免了一般晶闸管在门极触发时必须在门极周围先导通然后逐步横向扩展的过程,所以比一般晶闸管有更高的开关速度,而且容许的结温升也比普通晶闸管高。这些新器件,在更高的频率范围内满足了电力电子技术的要求。

  功率集成电路指在一个芯片上把多个器件及其控制电路集合在一起。其制造工艺既概括了第一代功率电子器件向大电流、高电压发展过程中所积累起来的各种经验,又综合了大规模集成电路的工艺特点。这种器件由于很大程度地缩小了器件及其控制电路的体积,因而能够有效地减少当器件处于高频工作状态时寄生参数的影响,这对提高电路工作频率和抑制外界干扰十分重要。

  2014年,美国奥巴马政府连同企业一道投资1.4亿美元在NCSU成立The Next Generation Power Electronics Institute,发展新一代宽禁带电力半导体器件。

  事实表明,无论是电力、机械、矿冶、交通、石油、能源、化工、轻纺等传统产业,还是通信、激光、机器人、环保、原子能、航天等高技术产业,都迫切需要高质量、高效率的电能。而电力电子正是将各种一次能源高效率地变为人们所需的电能,实现节能环保和提高人民生活质量的重要手段,它已经成为弱电控制与强电运行之间、信息技术与先进制造技术之间、传统产业实现自动化、智能化改造和兴建高科技产业之间不可缺少的重要桥梁。而新型电力电子器件的出现,总是带来一场电力电子技术的革命。电力电子器件就好像现代电力电子装置的心脏,它对装置的总价值,尺寸、重量、动态性能,过载能力,耐用性及可靠性等,起着十分重要的作用

  华伟, 周文定. 现代电力电子器件及其应用[M]. 清华大学出版社, 2002.

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