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电力电子器件

2017/4/7 11:20:07 作者: 来源:本站

电力电子技术的发展,不仅要求提高电力电子器件的控制功率容量和工作频率,而且要求降低器件的功率损耗,缩小器件及其控制电路的体积。半导体技术的新成就,为此提供了必要的物质基础。80年代,普通晶闸管已能开关数千安的电流和承受数千伏的正、反向工作电压。在此基础上又开发了双向晶闸管、光控晶闸管、门极可关断晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件。与此同时还开拓了单极型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崭新的电力电子器件。

分类电力电子器件通常可分为三大类:①功率二极管,包括功率整流二极管、肖特基二极管、齐纳稳压管和二极管组件。②功率三极管,包括功率达林顿晶体管、MOS功率场效应晶体管、隔离栅晶体管、功率静电感应晶体管。③晶闸管系列,主要是晶闸管及其派生器件,有普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、不对称晶闸管、门极辅助关断晶闸管、光控晶闸管、可关断晶闸管、静电感应晶闸管。当然,还可以作其他的分类,但这是一种简要的分类方法。

工作特性各种电力电子器件均具有导通和阻断二种工作特性。功率二极管是二端器件(指阴极和阳极二端),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。半控型和全控型电力电子器件控制灵活,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、直流输电等电力电子装置中的核心部件。

进展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。

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。

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。

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