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電力電子器件與半導體分立器件基礎知識

欄目:行業動態 發布時間:2018-11-22

電力電子器件與半導體分立器件基礎知識

半導體分立器件:由單個半導體晶體管構成的具有獨立、完整功能的器件。例如:二極管、三極管、雙極型功率晶體管(GTR)、晶閘管(可控硅)、場效應晶體管(結型場效應晶體管、MOSFET)、IGBT、IGCT、發光二極管、敏感器件等等。

 
半導體集成電路:相對于“分立器件”的則是“半導體集成電路”,它是由多個以至眾多的半導體晶體管構成的一個電子器件,少則只有幾個晶體管,多則上百萬個晶體管。稱為半導體集成電路器件。
 
二. 電力電子器件:
 
電力電子器件(Power Electronic Device)又稱為功率半導體器件,是用于電能變換和電能控制電路中的大功率(通常指電流為數十至數千安,電壓為數百伏以上)電子器件。又稱功率電子器件。20世紀50年代,電力電子器件主要是汞弧閘流管和大功率電子管。60年代發展起來的晶閘管,因其工作可靠、壽命長、體積小、開關速度快,而在電力電子電路中得到廣泛應用。70年代初期,已逐步取代了汞弧閘流管。80年代,普通晶閘管的開關電流已達數千安,能承受的正、反向工作電壓達數千伏。在此基礎上,為適應電力電子技術發展的需要,又開發出門極可關斷晶閘管、可控硅整流器(SCR)、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導晶閘管等一系列派生器件,以及單極型MOS功率場效應晶體管、IGBT、雙極型功率晶體管(GTR)、靜電感應晶閘管、功能組合模塊和功率集成電路等新型電力電子器件。
 
各種電力電子器件均具有導通和阻斷兩種工作特性。功率二極管是二端(陰極和陽極)器件,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??申P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。后兩類器件控制靈活,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、電解電源、直接輸電等電力電子裝置中的核心部件。這些器件構成裝置不僅體積小、工作可靠,而且節能效果十分明顯(一般可節電10%~40%)。
 
從上世紀六七十年代至八十年代初,功率半導體器件主要是可控硅整流器(SCR)、巨型晶體管(GTR)和其后的柵關斷晶閘管(GTO)等。它們的主要用途是用于高壓輸電,以及制造將電網的380V或220V交流電變為各種各樣直流電的中大型電源和控制電動機運行的電機調速裝置等,這些設備幾乎都是與電網相關的強電裝置。因此,當時我國把這些器件的總稱———power semiconductor devices沒有直譯為功率半導體器件,而是譯為電力電子器件,并將應用這些器件的電路技術powerelectronics沒有譯為功率電子學,而是譯為電力電子技術。
 
電力電子器件按照器件的控制能力可分為以下三類:
 
半控型器件:晶閘管(Thyristor or SCR)及其大部分派生器件,其特征是:控制極只能控制器件導通,不能控制關斷。
 
全控型器件:IGBT、MOSFET、GTO、GTR,其特征是:控制極可以控制器件導通和關斷。
 
不可控器件:電力二極管(Power Diode)。
 
電力電子器件的應用:
 
一般工業:交直流電機、電化學工業、冶金工業
 
交通運輸:電氣化鐵道、電動汽車、航空、航海
 
電力系統:高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償
 
電子裝置電源:為信息電子裝置提供動力
 
家用電器:“節能燈”、變頻空調
 
其他:UPS、航天飛行器、新能源、發電裝置
 
三. 電力電子器件的核心是電力電子器件的芯片/
 
目前均是用半導體材料、半導體制造工藝和技術(微電子技術)生產的。電力電子器件的芯片是電力電子器件的核心,電力電子器件的芯片通過封裝上外殼就成為電力電子器件了。
 
四.電力電子器件分類及優缺點
 
IGBT優點:開關速度高,開關損耗小,具有耐脈沖電流沖擊的能力,通態壓降較低,輸入阻抗高,為電壓驅動,驅動功率??;缺點:開關速度低于電力MOSFET,電壓,電流容量不及GTO
 
GTR優點: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,驅動電路復雜,存在二次擊穿問題
 
GTO優點:電壓、電流容量大,適用于大功率場合,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,驅動電路復雜,開關頻率低
 
電力MOSFET優點: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,一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。制約因素:耐壓,電流容量,開關的速度。
 
五.電力電子器件概述
 
電力電子器件為效率高、體積小、性能可靠的電源適配器發展提供了可靠的基礎?,F在的電源適配器不僅要求效率高,而且要求具有功率因數校正功能和適應全球電源電壓范圍。 MOSFET與IGBT MOSFET經近30年的發展,性能不斷得到改進,耐壓的提高、柵極抗靜電擊穿能力的提高、導通電阻的減小、柵極電荷與密勒電荷的減小、寄生二極管的反向恢復特性的改善。
 
現在MOSFET,其低耐壓器件的額定電流下的導通壓降已是所有的電力電子器件中最低的,甚至柵極可以用0.7V電壓驅動。高壓器件也由于Coolmos的問世,其額定電流下的導通壓降降低50%~70%(600V器件由12V~13V下降到約6V,800V器件約20V下降到約7.5V);IGBT也通過20多年的發展從無抗短路能力到具有抗短路能力、從存在“二次擊穿”現象到無“二次擊穿”現象、從存在電流擎住現象到無電流擎住現象、導通壓降的降低、柵極電荷的減小、開關速度的提高和拖尾電流的減小(開關損耗的減小)。極大地提高了IGBT的性能。耐壓最高也達6500V,最大額定電流也提高到2400A。
 
從SCR到GTO再到IGCT門極可關斷晶閘管器件在大功率晶體管技術基礎上可以制造出門極可關斷晶閘管(GTO),到了超大規模集成電路、線條寬度亞微米時代,可制造出集成化門極可關斷晶閘管(IGCT)。從SCR到GTO是由門極不可關斷到門極可關斷,而從GTO到IGCT則是更可靠、更方便地關斷。 快速二極管的發展快速二極管向快速、軟恢復、低壓降發展。MOSFET、IGBT問世后,由于MOSFET、IGBT開關速度太快,是快速二極管的反向恢復成為功率變換器換相損耗和電磁干擾的主要原因,甚至在IGBT問世初期忽略了普通快速二極管的反向恢復與IGBT的快的開通速度之間的矛盾,在IGBT開通過程中普通快速二極管的反向恢復造成瞬態短路而常出現功率變換器無故損壞的現象,因而現在的IGBT模塊均為IGBT與超快速二極管的組合。在功率因數校正技術中也要求提升二極管的超快速和超軟恢復,由于600V耐壓為超快速二極管的反向恢復特性已不能滿足高性能的要求,現多選用一個封裝內兩個300V超快速二極管相串聯的功率因數專用超快速二極管,但導通壓降上升到3V~4V(在功率因數校正技術中是允許的)。
 
去年問世的碳化硅SBD由于耐壓高、反向恢復特性極好并且導通壓降接近于低壓超快速二極管,應用碳化硅SBD,可使功率因數校正電路的性能更好。 模塊化、智能化電力電子器件向模塊化、智能化發展。將多個電力電子器件封裝在一個殼內構成電力電子模塊,例如:將兩個二極管或IGBT構成半橋橋臂、四或六個二極管組成一個單相或三相橋式整流器、六個IGBT構成三相橋式逆變器、單相整流橋或三相整流橋六個IGBT構成的橋式逆變器和一個制動用IGBT,按預定要求將電路內部連接好后制造成為一個變頻器專用的電力電子模塊等。這樣可以使電力電子設備的結構得到極大地簡化,體積和重量也大大減小。如果將過熱保護電路、過電流保護電路以及柵極驅動電路等封裝在模塊內即構成智能化電力電子模塊(IPM),IPM進一步簡化了電路結構。經??梢钥吹叫」β首冾l器僅僅是一塊控制電路板和一個IPM模塊構成。
 
交流電機變頻調速技術在交流電機變頻調速領域,上世紀70年代,交流電動機的變頻調速技術還是利用晶閘管(SCR)變頻器苦苦掙扎,使變頻調速成為技術上的陽春白雪和實用中的雞肋。社會迫切需求中小功率的變頻器,從而推動了大功率晶體管模塊(GTR)的問世和發展,同時也極大地推動了中小功率變頻器的快速發展,使其真正地步入實用化。在晶體管變頻器的使用過程中也發現了(GTR)的導通損耗較大,所需的驅動功率大的問題,迫切需要導通損耗較小、驅動功率小的器件。
 
在功率MOSFET問世后又派生出絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT),上世紀80年代末IGBT的性能已全面超過GTR,于上世紀90年代中期IGBT無論在性能上還是在價格上全面超過GTR(目前的低壓降型IGBT的導通壓降已不到2V,遠低于GTR的5V),使GTR慘遭淘汰。IGBT進入變頻器領域,使變頻器的性能得到質的飛躍和廉價化。變頻器的廉價化使其應用更加廣泛,在很多環境惡劣應用中要求變頻器具有承受外界短路能力的需求,推動了具有抗短路能力的IGBT,時值今日變頻器中的IGBT無一例外地采用了推動了具有抗短路能力的IGBT。
 
縱上所述:可控硅整流器(SCR)、雙向晶閘管、雙極型功率晶體管(GTR)等半導體器件的,這些產品是新型電力電子器件。
 
電力電子器件是半導體分立器件的一個分支。
 
電力電子器件的核心是電力電子器件的芯片。


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