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电力电子器件取半导体分立器件基础知识

2015/07/22

电力电子器件取半导体分立器件基础知识

半导体分立器件:由单个半导体晶体管组成的具有自力、完备功效的器件。比方:二极管、三极管、双极型功率晶体管(GTR)、晶闸管(可控硅)、场效应晶体管(结型场效应晶体管、MOSFET)、IGBT、IGCT、发光二极管、敏感器件等等。

 
半导体集成电路:相对“分立器件”的则是“半导体集成电路”,它是由多个以致浩繁的半导体晶体管组成的一个电子器件,少则只要几个晶体管,多则上百万个晶体管。称为半导体集成电路器件。
 
两. 电力电子器件:
 
电力电子器件(Power Electronic Device)又称为功率半导体器件,是用于电能变更和电能控制电路中的大功率(凡是指电流为数十至数千安,电压为数百伏以上)电子器件。又称功率电子器件。20世纪50年月,电力电子器件次要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年月成长起来的晶闸管,果其事情靠得住、寿命少、体积小、开关速度快,而正在电力电子电路中获得遍及利用。70年月早期,已渐渐代替了汞弧闸流管。80年月,平凡晶闸管的开关电流已达数千安,能接受的正、反向事情电压达数千伏。在此基础上,为顺应电力电子技术发展的必要,又开辟出门极可关断晶闸管、可控硅整流器(SCR)、双向晶闸管、光控晶闸管、顺导晶闸管等一系列派生器件,和单极型MOS功率场效应晶体管、IGBT、双极型功率晶体管(GTR)、静电感应晶闸管、功效组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。
 
各类电力电子器件均具有导通和阻断两种事情特性。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议,除改动减正在二端间的电压中,没法节制其阳极电流,故称不可控器件。平凡晶闸管是三端器件,其门极旌旗灯号能控制元件的导通,但不克不及节制其闭断,称半控型器件。可关断晶闸管、功率晶体管等器件,其门极旌旗灯号既能节制器件的导通,又能节制其闭断,称全控型器件。后两类器件节制机动,电路简朴,开关速度快,遍及应用于整流、顺变、斩波电路中,是电动机调速、发电机励磁、感到加热、电镀、电解电源、间接输电等电力电子安装中的焦点部件。这些器件组成安装不但体积小、事情靠得住,并且节能结果非常较着(普通可节电10%~40%)。
 
从上世纪六七十年代至八十年代初,功率半导体器件次要是可控硅整流器(SCR)、巨型晶体管(GTR)和厥后的栅关断晶闸管(GTO)等。它们的主要用途是用于高压输电,和制造将电网的380V或220V交流电变成林林总总直流电的中大型电源和节制电动机运转的机电调速安装等,这些装备险些都是取电网相干的强电安装。是以,那时我国把这些器件的总称———power semiconductor devices没有直译为功率半导体器件,而是译为电力电子器件,并将利用这些器件的电路技能powerelectronics没有译为功率电子学,而是译为电力电子技术。
 
电力电子器件根据器件的节制本领可分为以下三类:
 
半控型器件:晶闸管(Thyristor or SCR)及其大部分派生器件,其特点是:节制极只能节制器件导通,不克不及节制闭断。
 
全控型器件:IGBT、MOSFET、GTO、GTR,其特点是:节制极能够节制器件导通和闭断。
 
不可控器件:电力二极管(Power Diode)。
 
电力电子器件的利用:
 
普通产业:交直流电机、电化学工业、冶金工业
 
交通运输:电气化铁道、电动汽车、航空、帆海
 
电力系统:高压直流输电、柔性交换输电、无功抵偿
 
电子安装电源:为信息电子安装供给动力
 
家用电器:“节能灯”、变频空调
 
其他:UPS、航天飞行器、新能源、发电安装
 
三. 电力电子器件的焦点是电力电子器件的芯片/
 
今朝均是用半导体材料、半导体制造工艺和技能(微电子技术)出产的。电力电子器件的芯片是电力电子器件的焦点,电力电子器件的芯片经过封装上外壳便成为电力电子器件了。
 
四.电力电子器件分类及优缺点
 
IGBT长处:开关速度下,开关消耗小,具有耐脉冲电流打击的本领,通态压降较低,输入阻抗下,为电压驱动,驱动功率小;错误谬误:开关速度低于电力MOSFET,电压,电流容量不及GTO
 
GTR长处:耐压下,电流年夜,开关特性好,通流能力强,饱和压低落;错误谬误:开关速度低,为电流驱动,所需驱动功率年夜,驱动电路庞大,存在二次击穿成绩
 
GTO长处:电压、电流容量年夜,适用于大功率场所,具有电导调制效应,其通流本领很强;错误谬误:电流闭断增益很小,关断时门极负脉冲电流年夜,开关速度低,驱动功率年夜,驱动电路庞大,开关频次低
 
电力MOSFET长处:开关速度快,输入阻抗下,热稳定性好,所需驱动功率小且驱动电路简朴,事情频次下,不存在二次击穿成绩;错误谬误:电流容量小,耐压低,普通只适用于功率不超过10kW的电力电子安装。制约身分:耐压,电流容量,开关的速度。
 
五.电力电子器件概述
 
电力电子器件为服从下、体积小、机能靠得住的电源适配器成长供给了靠得住的底子。此刻的电源适配器不但要求服从下,并且要求具有功率因数校订功效和顺应环球电源电压范畴。 MOSFET取IGBT MOSFET经远30年的成长,机能不竭获得改良,耐压的进步、栅极抗静电击穿本领的进步、导通电阻的减小、栅极电荷取稀勒电荷的减小、寄生二极管的反向规复特性的改进。
 
此刻MOSFET,其低耐压器件的额定电流下的导通压降已是所有的电力电子器件中最低的,乃至栅极能够用0.7V电压驱动。高压器件也因为Coolmos的问世,其额定电流下的导通压降低落50%~70%(600V器件由12V~13V降落到约6V,800V器件约20V降落到约7.5V);IGBT也经过20多年的成长从无抗短路本领到具有抗短路本领、从存在“二次击穿”征象到无“二次击穿”征象、从存在电流擎住征象到无电流擎住征象、导通压降的低落、栅极电荷的减小、开关速度的进步和拖尾电流的减小(开关消耗的减小)。极大天进步了IGBT的机能。耐压最高也达6500V,最大额定电流也进步到2400A。
 
从SCR到GTO再到IGCT门极可关断晶闸管器件正在大功率晶体管技能基础上能够制造出门极可关断晶闸管(GTO),到了超大规模集成电路、线条宽度亚微米期间,可制造出集成化门极可关断晶闸管(IGCT)。从SCR到GTO是由门极不成关断到门极可关断,而从GTO到IGCT则是更靠得住、更便当天闭断。 快速二极管的成长快速二极管背快速、硬规复、高压降成长。MOSFET、IGBT问世后,因为MOSFET、IGBT开关速度太快,是快速二极管的反向规复成为功率变换器换相消耗和电磁滋扰的主要原因,乃至正在IGBT问世早期疏忽了平凡快速二极管的反向规复取IGBT的快的开通速度之间的冲突,正在IGBT开通历程中平凡快速二极管的反向规复形成瞬态短路而常呈现功率变换器无端破坏的征象,因此此刻的IGBT模块均为IGBT取超快速二极管的组合。正在功率因数校订技能中也要求提拔二极管的超快速和超硬规复,因为600V耐压为超快速二极管的反向规复特性已不克不及满意下机能的要求,现多选用一个封装内两个300V超快速二极管相串连的功率因数公用超快速二极管,但导通压降上升到3V~4V(正在功率因数校订技能中是答应的)。
 
客岁问世的碳化硅SBD因为耐压下、反向规复特性极好而且导通压降靠近于高压超快速二极管,利用碳化硅SBD,可使功率因数校订电路的机能更好。 模块化、智能化电力电子器件背模块化、智能化成长。将多个电力电子器件封装正在一个壳内组成电力电子模块,比方:将两个二极管或IGBT组成半桥桥臂、四或六个二极管构成一个单相或三相桥式整流器、六个IGBT组成三相桥式逆变器、单相整流桥或三相整流桥六个IGBT组成的桥式逆变器和一个制动用IGBT,按预定要求将电路内部毗连好后制造成为一个变频器公用的电力电子模块等。如许能够使电力电子设备的布局获得极大天简化,体积和重量也大大减小。假如将过热庇护电路、过电流庇护电路和栅极驱动电路等封装正在模块内即组成智能化电力电子模块(IPM),IPM进一步简化了电路布局。常常能够看到小功率变频器仅仅是一块节制电路板和一个IPM模块组成。
 
交换机电变频调速技能正在交换机电变频调速范畴,上世纪70年月,交流电动机的变频调速技能仍是操纵晶闸管(SCR)变频器苦苦挣扎,使变频调速成为技术上的阳春白雪和适用中的鸡肋。社会火急需求中小功率的变频器,从而鞭策了大功率晶体管模块(GTR)的问世和成长,同时也极大天鞭策了中小功率变频器的快速成长,使其真正天步入适用化。正在晶体管变频器的利用历程中也发明了(GTR)的导通消耗较大,所需的驱动功率年夜的成绩,迫切需要导通消耗较小、驱动功率小的器件。
 
正在功率MOSFET问世后又派生出绝缘栅极双极型晶体管(IGBT),上世纪80年月终IGBT的机能已片面超越GTR,于上世纪90年月中期IGBT不管正在机能上仍是正在代价上片面超越GTR(今朝的高压降型IGBT的导通压降已不到2V,近低于GTR的5V),使GTR惨遭裁减。IGBT进入变频器范畴,使变频器的机能获得量的奔腾和便宜化。变频器的便宜化使其利用愈加遍及,正在良多情况卑劣利用中要求变频器具有接受外界短路本领的需求,鞭策了具有抗短路本领的IGBT,时价本日变频器中的IGBT无一例外天接纳了鞭策了具有抗短路本领的IGBT。
 
纵上所述:可控硅整流器(SCR)、双向晶闸管、双极型功率晶体管(GTR)等半导体器件的,这些产物是新型电力电子器件。
 
电力电子器件是半导体分立器件的一个分支。
 
电力电子器件的焦点是电力电子器件的芯片。