功率電子器件應(yīng)用要求以及概述

盡管電力電子器件發(fā)展過程遠(yuǎn)比我們現(xiàn)在描述的復(fù)雜，但是MOSFET和IGBT，特別是IGBT已經(jīng)成為現(xiàn)代功率電子器件的主流。

一.功率電子器件及其應(yīng)用要求

功率電子器件大量被應(yīng)用于電源、伺服驅(qū)動(dòng)、變頻器、電機(jī)保護(hù)器等功率電子設(shè)備。這些設(shè)備都是自動(dòng)化系統(tǒng)中必不可少的，因此，我們了解它們是必要的。

近年來(lái)，隨著應(yīng)用日益高速發(fā)展的需求，推動(dòng)了功率電子器件的制造工藝的研究和發(fā)展，功率電子器件有了飛躍性的進(jìn)步。器件的類型朝多元化發(fā)展，性能也越來(lái)越改善。大致來(lái)講，功率器件的發(fā)展，體現(xiàn)在如下方面：

1. 器件能夠快速恢復(fù)，以滿足越來(lái)越高的速度需要。以開關(guān)電源為例，采用雙極型晶體管時(shí)，速度可以到幾十千赫;使用MOSFET和IGBT，可以到幾百千赫;而采用了諧振技術(shù)的開關(guān)電源，則可以達(dá)到兆赫以上。

2. 通態(tài)壓降(正向壓降)降低。這可以減少器件損耗，有利于提高速度，減小器件體積。

3. 電流控制能力增大。電流能力的增大和速度的提高是一對(duì)矛盾，目前最大電流控制能力，特別是在電力設(shè)備方面，還沒有器件能完全替代可控硅。

4. 額定電壓：耐壓高。耐壓和電流都是體現(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力的重要參數(shù)，特別對(duì)電力系統(tǒng)，這顯得非常重要。

5. 溫度與功耗。這是一個(gè)綜合性的參數(shù)，它制約了電流能力、開關(guān)速度等能力的提高。目前有兩個(gè)方向解決這個(gè)問題，一是繼續(xù)提高功率器件的品質(zhì)，二是改進(jìn)控制技術(shù)來(lái)降低器件功耗，比如諧振式開關(guān)電源。

總體來(lái)講，從耐壓、電流能力看，可控硅目前仍然是最高的，在某些特定場(chǎng)合，仍然要使用大電流、高耐壓的可控硅。但一般的工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)合，功率電子器件已越來(lái)越多地使用MOSFET和IGBT，特別是IGBT獲得了更多的使用，開始全面取代可控硅來(lái)做為新型的功率控制器件。

二.功率電子器件概覽

(1). 整流二極管：

二極管是功率電子系統(tǒng)中不可或缺的器件，用于整流、續(xù)流等。目前比較多地使用如下三種選擇：

1. 高效快速恢復(fù)二極管。壓降0.8-1.2V，適合小功率，12V左右電源。

2. 高效超快速二極管。0.8-1.2V，適合小功率，12V左右電源。

3. 肖特基勢(shì)壘整流二極管SBD。0.4V，適合5V等低壓電源。缺點(diǎn)是其電阻和耐壓的平方成正比，所以耐壓低(200V以下)，反向漏電流較大，易熱擊穿。但速度比較快，通態(tài)壓降低。

目前SBD的研究前沿，已經(jīng)超過1萬(wàn)伏。

(2).大功率晶體管GTR

分為：

單管形式。電流系數(shù)：10-30。

雙管形式——達(dá)林頓管。電流倍數(shù)：100-1000。飽和壓降大，速度慢。下圖虛線部分即是達(dá)林頓管。

達(dá)林頓管應(yīng)用

實(shí)際比較常用的是達(dá)林頓模塊，它把GTR、續(xù)流二極管、輔助電路做到一個(gè)模塊內(nèi)。在較早期的功率電子設(shè)備中，比較多地使用了這種器件。圖1-2是這種器件的內(nèi)部典型結(jié)構(gòu)。

達(dá)林頓模塊電路典型結(jié)構(gòu)

兩個(gè)二極管左側(cè)是加速二極管，右側(cè)為續(xù)流二極管。加速二極管的原理是引進(jìn)了電流串聯(lián)正反饋，達(dá)到加速的目的。

這種器件的制造水平是1800V/800A/2KHz、600V/3A/100KHz左右(參考)。

(3). 可控硅SCR

可控硅在大電流、高耐壓場(chǎng)合還是必須的，但在常規(guī)工業(yè)控制的低壓、中小電流控制中，已逐步被新型器件取代。

目前的研制水平在12KV/8000A左右(參考)。

由于可控硅換流電路復(fù)雜，逐步開發(fā)了門極關(guān)斷晶閘管GTO。制造水平達(dá)到8KV/8KA，頻率為1KHz左右。

無(wú)論是SCR還是GTO，控制電路都過于復(fù)雜，特別是需要龐大的吸收電路。而且，速度低，因此限制了它的應(yīng)用范圍拓寬。

集成門極換流晶閘管IGCT和MOS關(guān)斷晶閘管之類的器件在控制門極前使用了MOS柵，從而達(dá)到硬關(guān)斷能力。

(4). 功率MOSFET

又叫功率場(chǎng)效應(yīng)管或者功率場(chǎng)控晶體管。

其特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)功率小，速度高，安全工作區(qū)寬。但高壓時(shí)，導(dǎo)通電阻與電壓的平方成正比，因而提高耐壓和降低高壓阻抗困難。

適合低壓100V以下，是比較理想的器件。

目前的研制水平在1000V/65A左右(參考)。商業(yè)化的產(chǎn)品達(dá)到60V/200A/2MHz、500V/50A/100KHz。是目前速度最快的功率器件。

(5). IGBT

又叫絕緣柵雙極型晶體管。

這種器件的特點(diǎn)是集MOSFET與GTR的優(yōu)點(diǎn)于一身。輸入阻抗高，速度快，熱穩(wěn)定性好。通態(tài)電壓低，耐壓高，電流大。

目前這種器件的兩個(gè)方向：一是朝大功率，二是朝高速度發(fā)展。大功率IGBT模塊達(dá)到1200-1800A/1800-3300V的水平(參考)。速度在中等電壓區(qū)域(370-600V)，可達(dá)到150-180KHz。

它的電流密度比MOSFET大，芯片面積只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET低。