電力電子器件(PowerElectronicDevice)

按照電力電子器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度分類:

1.半控型器件，例如晶閘管;

2.全控型器件，例如GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、GTR(電力晶體管)，MOSFET(電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管)、IGBT(絕緣柵雙極晶體管);

3.不可控器件，例如電力二極管;

按照驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)分類:

1.電壓驅(qū)動(dòng)型器件，例如IGBT、MOSFET、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管);

2.電流驅(qū)動(dòng)型器件，例如晶閘管、GTO、GTR;

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間的有效信號(hào)波形分類:

1.脈沖觸發(fā)型，例如晶閘管、GTO;

2.電子控制型，例如GTR、MOSFET、IGBT;

按照電力電子器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分類:

1.雙極型器件，例如電力二極管、晶閘管、GTO、GTR;

2.單極型器件，例如MOSFET、SIT;

3.復(fù)合型器件，例如MCT(MOS控制晶閘管)和IGBT;

電力二極管:結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠;

晶閘管:承受電壓和電流容量在所有器件中最高

IGBT:開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小;缺點(diǎn):開關(guān)速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及GTO

GTR:耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低;缺點(diǎn):開關(guān)速度低，為電流驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，存在二次擊穿問題

GTO:電壓、電流容量大，適用于大功率場(chǎng)合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng);缺點(diǎn):電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低

MOSFET:開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題;缺點(diǎn):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(guān)的速度。

功率器件幾乎用于所有的電子制造業(yè),包括計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的筆記本、PC、服務(wù)器、顯示器以及各種外設(shè);網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的手機(jī)、電話以及其它各種終端和局端設(shè)備;消費(fèi)電子領(lǐng)域的傳統(tǒng)黑白家電和各種數(shù)碼產(chǎn)品;工業(yè)控制類中的工業(yè)PC、各類儀器儀表和各類控制設(shè)備等。

除了保證這些設(shè)備的正常運(yùn)行以外，功率器件還能起到有效的節(jié)能作用。由于電子產(chǎn)品的需求以及能效要求的不斷提高，中國(guó)功率器件市場(chǎng)一直保持較快的發(fā)展速度。

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2010年中國(guó)功率器件行業(yè)共有規(guī)模以上企業(yè)498家，全行業(yè)實(shí)現(xiàn)銷售收入1015.11億元，同比增長(zhǎng)6.86%;實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)總額85.27億元，同比增長(zhǎng)47.54%。從企業(yè)經(jīng)濟(jì)類型來看，三資企業(yè)數(shù)量最多，其企業(yè)數(shù)量占行業(yè)數(shù)量的47.19%。從企業(yè)數(shù)量、銷售收入以及資產(chǎn)規(guī)模來看，江蘇、廣東和浙江等省所占的份額居多。

電力電子器件正沿著大功率化、高頻化、集成化的方向發(fā)展。80年代晶閘管的電流容量已達(dá)6000安，阻斷電壓高達(dá)6500伏。但這類器件工作頻率較低。提高其工作頻率，取決于器件關(guān)斷期間如何加快基區(qū)少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱少子)的復(fù)合速度和經(jīng)門極抽取更多的載流子。降低少子壽命雖能有效地縮短關(guān)斷電流的過程，卻導(dǎo)致器件導(dǎo)通期正向壓降的增加。因此必須兼顧轉(zhuǎn)換速度和器件通態(tài)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(dá)數(shù)百安，阻斷電壓1千多伏,但維持通態(tài)比其他功率可控器件需要更大的基極驅(qū)動(dòng)電流。由于存在熱激發(fā)二次擊穿現(xiàn)象，限制它的抗浪涌能力。進(jìn)一步提高其工作頻率仍然受到基區(qū)和集電區(qū)少子儲(chǔ)存效應(yīng)的影響。70年代中期發(fā)展起來的單極型MOS功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管， 由于不受少子儲(chǔ)存效應(yīng)的限制，能夠在兆赫以上的頻率下工作。這種器件的導(dǎo)通電流具有負(fù)溫度特性，不易出現(xiàn)熱激發(fā)二次擊穿現(xiàn)象;需要擴(kuò)大電流容量時(shí)，器件并聯(lián)簡(jiǎn)單，且具有較好的線性輸出特性和較小的驅(qū)動(dòng)功率;在制造工藝上便于大規(guī)模集成。但它的通態(tài)壓降較大，制造時(shí)對(duì)材料和器件工藝的一致性要求較高。到80 年代中、后期電流容量?jī)H達(dá)數(shù)十安，阻斷電壓近千伏。

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，主要用于相控電路。這些電路十分廣泛地用在電解、電鍍、直流電機(jī)傳動(dòng)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁等整流裝置中，與傳統(tǒng)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(jié)能效果(一般可節(jié)電10~40%，從中國(guó)的實(shí)際看，因風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載約占全國(guó)用電量的1/3，若采用交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng), 可平均節(jié)電20%以上，每年可節(jié)電400億千瓦時(shí)),因此電力電子技術(shù)的發(fā)展也越來越受到人們的重視。70年代中期出現(xiàn)的全控型可關(guān)斷晶閘管和功率晶體管,開關(guān)速度快,控制簡(jiǎn)單，逆導(dǎo)可關(guān)斷晶閘管更兼容了可關(guān)斷晶閘管和快速整流二極管的功能。它們把電力電子技術(shù)的應(yīng)用推進(jìn)到了以逆變、斬波為中心內(nèi)容的新領(lǐng)域。這些器件已普遍應(yīng)用于變頻調(diào)速、開關(guān)電源、靜止變頻等電力電子裝置中。

80年代初期出現(xiàn)的 MOS功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管和功率集成電路的工作頻率達(dá)到兆赫級(jí)。集成電路的技術(shù)促進(jìn)了器件的小型化和功能化。這些新成就為發(fā)展高頻電力電子技術(shù)提供了條件，推動(dòng)電力電子裝置朝著智能化、高頻化的方向發(fā)展。

80年代發(fā)展起來的靜電感應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)晶體管和功率晶體管各自的優(yōu)點(diǎn)，在性能上又有新的發(fā)展。例如隔離柵晶體管,既具有MOS功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵控特性，又具有雙極型功率晶體管的電流傳導(dǎo)性能，它容許的電流密度比雙極型功率晶體管高幾倍。靜電感應(yīng)晶閘管保存了晶閘管導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)上避免了一般晶閘管在門極觸發(fā)時(shí)必須在門極周圍先導(dǎo)通然后逐步橫向擴(kuò)展的過程，所以比一般晶閘管有更高的開關(guān)速度，而且容許的結(jié)溫升也比普通晶閘管高。這些新器件，在更高的頻率范圍內(nèi)滿足了電力電子技術(shù)的要求。

功率集成電路指在一個(gè)芯片上把多個(gè)器件及其控制電路集合在一起。其制造工藝既概括了第一代功率電子器件向大電流、高電壓發(fā)展過程中所積累起來的各種經(jīng)驗(yàn)，又綜合了大規(guī)模集成電路的工藝特點(diǎn)。這種器件由于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(dāng)器件處于高頻工作狀態(tài)時(shí)寄生參數(shù)的影響，這對(duì)提高電路工作頻率和抑制外界干擾十分重要。

2014年，美國(guó)奧巴馬政府連同企業(yè)一道投資1.4億美元在NCSU成立The Next Generation Power Electronics Institute，發(fā)展新一代寬禁帶電力半導(dǎo)體器件。

按照電力電子器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度分類:

1.半控型器件，例如晶閘管;

2.全控型器件，例如GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、GTR(電力晶體管)，MOSFET(電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管)、IGBT(絕緣柵雙極晶體管);

3.不可控器件，例如電力二極管;

按照驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)分類:

1.電壓驅(qū)動(dòng)型器件，例如IGBT、MOSFET、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管);

2.電流驅(qū)動(dòng)型器件，例如晶閘管、GTO、GTR;

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間的有效信號(hào)波形分類:

1.脈沖觸發(fā)型，例如晶閘管、GTO;

2.電子控制型，例如GTR、MOSFET、IGBT;

按照電力電子器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分類:

1.雙極型器件，例如電力二極管、晶閘管、GTO、GTR;

2.單極型器件，例如MOSFET、SIT;

3.復(fù)合型器件，例如MCT(MOS控制晶閘管)和IGBT;