電力電子器件(PowerElectronicDevice)

電力電子器件(Power Electronic Device)又稱為功率半導體器件,主要用于電力設備的電能變換和控製電路方面大功率的電子器件(通常指電流為數十至數千安,電壓為數百伏以上)。

  • 中文名稱
    電力電子器件
  • 外文名稱
    Power Electronic Device
  • 類    型
    電子器件
  • 又    稱
    功率半導體器件

發展

功率器件幾乎用于所有的電子製造業,包括電腦領域的筆記本、PC、伺服器、顯示器以及各種外設;網路通信領域的手機、電話以及其它各種終端和局端設備;消費電子領域的傳統黑白家電和各種數碼產品;工業控製類中的工業PC、各類儀器儀表和各類控製設備等。

除了保證這些設備的正常運行以外,功率器件還能起到有效的節能作用。由于電子產品的需求以及能效要求的不斷提高,中國功率器件市場一直保持較快的發展速度。

國家統計局資料顯示,2010年中國功率器件行業共有規模以上企業498家,全行業實現銷售收入1015.11億元,同比成長6.86%;實現利潤總額85.27億元,同比成長47.54%。從企業經濟類型來看,三資企業數量最多,其企業數量佔行業數量的47.19%。從企業數量、銷售收入以及資產規模來看,江蘇、廣東和浙江等省所佔的份額居多。

簡介

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套用。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、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功率場效應電晶體、雙極型功率電晶體、靜電感應晶閘管、功能組合模組和功率積體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徵。功率二極體是二端(陰極和陽極)器件,其器件電流由伏安特徵決定,除了改變加在二端間的電壓外,無法控製其陽極電流,故稱不可控器件。普通晶閘管是三端器件,其門極信號能控製元件的導通,但不能控製其關斷,稱半控型器件。可關斷晶閘管、功率電晶體等器件,其門極信號既能控製器件的導通,又能控製其關斷,稱全控型器件。後兩類器件控製靈活,電路簡單,開關速度快,廣泛套用于整流、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%)。

單個電力電子器件能承受的正、反向電壓是一定的,能通過的電流大小也是一定的。因此,由單個電力電子器件組成的電力電子裝置容量受到限製。所以,在實用中多用幾個電力電子器件串聯或並聯形成組件,其耐壓和通流的能力可以成倍地提高,從而可極大地增加電力電子裝置的容量。器件串聯時,希望各元件能承受同樣的正、反向電壓;並聯時則希望各元件能分擔同樣的電流。但由于器件的個異性,串、並聯時,各器件並不能完全均勻地分擔電壓和電流。所以,在電力電子器件串聯時,要採取均壓措施;在並聯時,要採取均流措施。

電力電子器件工作時,會因功率損耗引起器件發熱、升溫。器件溫度過高將縮短壽命,甚至燒毀,這是限製電力電子器件電流、電壓容量的主要原因。為此,必須考慮器件的冷卻問題。常用冷卻方式有自冷式、風冷式、液冷式(包括油冷式、水冷式)和蒸發冷卻式等。

分類

按照電力電子器件能夠被控製電路信號所控製的程度分類:

1.半控型器件,例如晶閘管;

2.全控型器件,例如GTO(門極可關斷晶閘管)、GTR(電力電晶體),MOSFET(電力場效應電晶體)、IGBT(絕緣柵雙極電晶體);

3.不可控器件,例如電力二極體;

按照驅動電路加在電力電子器件控製端和公共端之間信號的性質分類:

1.電壓驅動型器件,例如IGBT、MOSFET、SITH(靜電感應晶閘管);

2.電流驅動型器件,例如晶閘管、GTO、GTR;

根據驅動電路加在電力電子器件控製端和公共端之間的有效信號波形分類:

1.脈沖觸發型,例如晶閘管、GTO;

2.電子控製型,例如GTR、MOSFET、IGBT;

按照電力電子器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分類:

1.雙極型器件,例如電力二極體、晶閘管、GTO、GTR;

2.單極型器件,例如MOSFET、SIT;

3.復合型器件,例如MCT(MOS控製晶閘管)和IGBT;

優缺點

電力二極體:結構和原理簡單,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,驅動功率小;缺點:開關速度低于電力MOSFET,電壓,電流容量不及GTO

GTR:耐壓高,電流大,開關特徵好,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:電壓、電流容量大,適用于大功率場合,具有電導調製效應,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

MOSFET: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,一般隻適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。

製約因素:耐壓,電流容量,開關的速度。

進展

縱覽

電力電子器件正沿著大功率化、高頻化、集成化的方向發展。80年代晶閘管的電流容量已達6000安,阻斷電壓高達6500伏。但這類器件工作頻率較低。提高其工作頻率,取決于器件關斷期間如何加快基區少數載流子(簡稱少子)的復合速度和經門極抽取更多的載流子。降低少子壽命雖能有效地縮短關斷電流的過程,卻導致器件導通期正向壓降的增加。因此必須兼顧轉換速度和器件通態功率損耗的要求。80年代這類器件的最高工作頻率在 10千赫以下。雙極型大功率電晶體可以在100千赫頻率下工作,其控製電流容量已達數百安,阻斷電壓1千多伏,但維持通態比其他功率可控器件需要更大的基極驅動電流。由于存在熱激發二次擊穿現象,限製它的抗浪涌能力。進一步提高其工作頻率仍然受到基區和集電區少子儲存效應的影響。70年代中期發展起來的單極型MOS功率場效應電晶體, 由于不受少子儲存效應的限製,能夠在兆赫以上的頻率下工作。這種器件的導通電流具有負溫度特徵,不易出現熱激發二次擊穿現象;需要擴大電流容量時,器件並聯簡單,且具有較好的線性輸出特徵和較小的驅動功率;在製造工藝上便于大規模集成。但它的通態壓降較大,製造時對材料和器件工藝的一致性要求較高。到80 年代中、後期電流容量僅達數十安,阻斷電壓近千伏。

從60年代到70年代初期

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、直流電機傳動、發電機勵磁等整流裝置中,與傳統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能效果(一般可節電10~40%,從中國的實際看,因風機和泵類負載約佔全國用電量的1/3,若採用交流電動機調速傳動, 可平均節電20%以上,每年可節電400億千瓦時),因此電力電子技術的發展也越來越受到人們的重視。70年代中期出現的全控型可關斷晶閘管和功率電晶體,開關速度快,控製簡單,逆導可關斷晶閘管更兼容了可關斷晶閘管和快速整流二極體的功能。它們把電力電子技術的套用推進到了以逆變、斬波為中心內容的新領域。這些器件已普遍套用于變頻調速、開關電源、靜止變頻等電力電子裝置中。

80年代初期

80年代初期出現的 MOS功率場效應電晶體和功率積體電路的工作頻率達到兆赫級。積體電路的技術促進了器件的小型化和功能化。這些新成就為發展高頻電力電子技術提供了條件,推動電力電子裝置朝著智慧型化、高頻化的方向發展。

80年代發展起來的靜電感應晶閘管、隔離柵電晶體,以及各種組合器件,綜合了晶閘管、 MOS功率場效應電晶體和功率電晶體各自的優點,在性能上又有新的發展。例如隔離柵電晶體,既具有MOS功率場效應電晶體的柵控特徵,又具有雙極型功率電晶體的電流傳導性能,它容許的電流密度比雙極型功率電晶體高幾倍。靜電感應晶閘管儲存了晶閘管導通壓降低的優點,結構上避免了一般晶閘管在門極觸發時必須在門極周圍先導通然後逐步橫向擴展的過程,所以比一般晶閘管有更高的開關速度,而且容許的結溫升也比普通晶閘管高。這些新器件,在更高的頻率範圍內滿足了電力電子技術的要求。

功率積體電路指在一個晶片上把多個器件及其控製電路集合在一起。其製造工藝既概括了第一代功率電子器件向大電流、高電壓發展過程中所積累起來的各種經驗,又綜合了大規模積體電路的工藝特點。這種器件由于很大程度地縮小了器件及其控製電路的體積,因而能夠有效地減少當器件處于高頻工作狀態時寄生參數的影響,這對提高電路工作頻率和抑製外界幹擾十分重要。

近期進展

2014年,美國歐巴馬政府連同企業一道投資1.4億美元在NCSU成立The Next Generation Power Electronics Institute,發展新一代寬禁帶電力半導體器件。

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