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电力电子器件与半导体分立器件基础知识

栏目:行业动态 发布时间:2018-11-22

电力电子器件与半导体分立器件基础知识

半导体分立器件:由单个半导体晶体管构成的具有独立、完整功能的器件。例如:二极管、三极管、双极型功率晶体管(GTR)、晶闸管(可控硅)、场效应晶体管(结型场效应晶体管、MOSFET)、IGBT、IGCT、发光二极管、敏感器件等等。

 
半导体集成电路:相对于“分立器件”的则是“半导体集成电路”,它是由多个以至众多的半导体晶体管构成的一个电子器件,少则只有几个晶体管,多则上百万个晶体管。称为半导体集成电路器件。
 
二. 电力电子器件:
 
电力电子器件(Power Electronic Device)又称为功率半导体器件,是用于电能变换和电能控制电路中的大功率(通常指电流为数十至数千安,电压为数百伏以上)电子器件。又称功率电子器件。20世纪50年代,电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管,因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快,而在电力电子电路中得到广泛应用。70年代初期,已逐步取代了汞弧闸流管。80年代,普通晶闸管的开关电流已达数千安,能承受的正、反向工作电压达数千伏。在此基础上,为适应电力电子技术发展的需要,又开发出门极可关断晶闸管、可控硅整流器(SCR)、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件,以及单极型MOS功率场效应晶体管、IGBT、双极型功率晶体管(GTR)、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。
 
各种电力电子器件均具有导通和阻断两种工作特性。功率二极管是二端(阴极和阳极)器件,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。后两类器件控制灵活,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、电解电源、直接输电等电力电子装置中的核心部件。这些器件构成装置不仅体积小、工作可靠,而且节能效果十分明显(一般可节电10%~40%)。
 
从上世纪六七十年代至八十年代初,功率半导体器件主要是可控硅整流器(SCR)、巨型晶体管(GTR)和其后的栅关断晶闸管(GTO)等。它们的主要用途是用于高压输电,以及制造将电网的380V或220V交流电变为各种各样直流电的中大型电源和控制电动机运行的电机调速装置等,这些设备几乎都是与电网相关的强电装置。因此,当时我国把这些器件的总称———power semiconductor devices没有直译为功率半导体器件,而是译为电力电子器件,并将应用这些器件的电路技术powerelectronics没有译为功率电子学,而是译为电力电子技术。
 
电力电子器件按照器件的控制能力可分为以下三类:
 
半控型器件:晶闸管(Thyristor or SCR)及其大部分派生器件,其特征是:控制极只能控制器件导通,不能控制关断。
 
全控型器件:IGBT、MOSFET、GTO、GTR,其特征是:控制极可以控制器件导通和关断。
 
不可控器件:电力二极管(Power Diode)。
 
电力电子器件的应用:
 
一般工业:交直流电机、电化学工业、冶金工业
 
交通运输:电气化铁道、电动汽车、航空、航海
 
电力系统:高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿
 
电子装置电源:为信息电子装置提供动力
 
家用电器:“节能灯”、变频空调
 
其他:UPS、航天飞行器、新能源、发电装置
 
三. 电力电子器件的核心是电力电子器件的芯片/
 
目前均是用半导体材料、半导体制造工艺和技术(微电子技术)生产的。电力电子器件的芯片是电力电子器件的核心,电力电子器件的芯片通过封装上外壳就成为电力电子器件了。
 
四.电力电子器件分类及优缺点
 
IGBT优点:开关速度高,开关损耗小,具有耐脉冲电流冲击的能力,通态压降较低,输入阻抗高,为电压驱动,驱动功率小;缺点:开关速度低于电力MOSFET,电压,电流容量不及GTO
 
GTR优点:耐压高,电流大,开关特性好,通流能力强,饱和压降低;缺点:开关速度低,为电流驱动,所需驱动功率大,驱动电路复杂,存在二次击穿问题
 
GTO优点:电压、电流容量大,适用于大功率场合,具有电导调制效应,其通流能力很强;缺点:电流关断增益很小,关断时门极负脉冲电流大,开关速度低,驱动功率大,驱动电路复杂,开关频率低
 
电力MOSFET优点:开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好,所需驱动功率小且驱动电路简单,工作频率高,不存在二次击穿问题;缺点:电流容量小,耐压低,一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。制约因素:耐压,电流容量,开关的速度。
 
五.电力电子器件概述
 
电力电子器件为效率高、体积小、性能可靠的电源适配器发展提供了可靠的基础。现在的电源适配器不仅要求效率高,而且要求具有功率因数校正功能和适应全球电源电压范围。 MOSFET与IGBT MOSFET经近30年的发展,性能不断得到改进,耐压的提高、栅极抗静电击穿能力的提高、导通电阻的减小、栅极电荷与密勒电荷的减小、寄生二极管的反向恢复特性的改善。
 
现在MOSFET,其低耐压器件的额定电流下的导通压降已是所有的电力电子器件中最低的,甚至栅极可以用0.7V电压驱动。高压器件也由于Coolmos的问世,其额定电流下的导通压降降低50%~70%(600V器件由12V~13V下降到约6V,800V器件约20V下降到约7.5V);IGBT也通过20多年的发展从无抗短路能力到具有抗短路能力、从存在“二次击穿”现象到无“二次击穿”现象、从存在电流擎住现象到无电流擎住现象、导通压降的降低、栅极电荷的减小、开关速度的提高和拖尾电流的减小(开关损耗的减小)。极大地提高了IGBT的性能。耐压最高也达6500V,最大额定电流也提高到2400A。
 
从SCR到GTO再到IGCT门极可关断晶闸管器件在大功率晶体管技术基础上可以制造出门极可关断晶闸管(GTO),到了超大规模集成电路、线条宽度亚微米时代,可制造出集成化门极可关断晶闸管(IGCT)。从SCR到GTO是由门极不可关断到门极可关断,而从GTO到IGCT则是更可靠、更方便地关断。 快速二极管的发展快速二极管向快速、软恢复、低压降发展。MOSFET、IGBT问世后,由于MOSFET、IGBT开关速度太快,是快速二极管的反向恢复成为功率变换器换相损耗和电磁干扰的主要原因,甚至在IGBT问世初期忽略了普通快速二极管的反向恢复与IGBT的快的开通速度之间的矛盾,在IGBT开通过程中普通快速二极管的反向恢复造成瞬态短路而常出现功率变换器无故损坏的现象,因而现在的IGBT模块均为IGBT与超快速二极管的组合。在功率因数校正技术中也要求提升二极管的超快速和超软恢复,由于600V耐压为超快速二极管的反向恢复特性已不能满足高性能的要求,现多选用一个封装内两个300V超快速二极管相串联的功率因数专用超快速二极管,但导通压降上升到3V~4V(在功率因数校正技术中是允许的)。
 
去年问世的碳化硅SBD由于耐压高、反向恢复特性极好并且导通压降接近于低压超快速二极管,应用碳化硅SBD,可使功率因数校正电路的性能更好。 模块化、智能化电力电子器件向模块化、智能化发展。将多个电力电子器件封装在一个壳内构成电力电子模块,例如:将两个二极管或IGBT构成半桥桥臂、四或六个二极管组成一个单相或三相桥式整流器、六个IGBT构成三相桥式逆变器、单相整流桥或三相整流桥六个IGBT构成的桥式逆变器和一个制动用IGBT,按预定要求将电路内部连接好后制造成为一个变频器专用的电力电子模块等。这样可以使电力电子设备的结构得到极大地简化,体积和重量也大大减小。如果将过热保护电路、过电流保护电路以及栅极驱动电路等封装在模块内即构成智能化电力电子模块(IPM),IPM进一步简化了电路结构。经常可以看到小功率变频器仅仅是一块控制电路板和一个IPM模块构成。
 
交流电机变频调速技术在交流电机变频调速领域,上世纪70年代,交流电动机的变频调速技术还是利用晶闸管(SCR)变频器苦苦挣扎,使变频调速成为技术上的阳春白雪和实用中的鸡肋。社会迫切需求中小功率的变频器,从而推动了大功率晶体管模块(GTR)的问世和发展,同时也极大地推动了中小功率变频器的快速发展,使其真正地步入实用化。在晶体管变频器的使用过程中也发现了(GTR)的导通损耗较大,所需的驱动功率大的问题,迫切需要导通损耗较小、驱动功率小的器件。
 
在功率MOSFET问世后又派生出绝缘栅极双极型晶体管(IGBT),上世纪80年代末IGBT的性能已全面超过GTR,于上世纪90年代中期IGBT无论在性能上还是在价格上全面超过GTR(目前的低压降型IGBT的导通压降已不到2V,远低于GTR的5V),使GTR惨遭淘汰。IGBT进入变频器领域,使变频器的性能得到质的飞跃和廉价化。变频器的廉价化使其应用更加广泛,在很多环境恶劣应用中要求变频器具有承受外界短路能力的需求,推动了具有抗短路能力的IGBT,时值今日变频器中的IGBT无一例外地采用了推动了具有抗短路能力的IGBT。
 
纵上所述:可控硅整流器(SCR)、双向晶闸管、双极型功率晶体管(GTR)等半导体器件的,这些产品是新型电力电子器件。
 
电力电子器件是半导体分立器件的一个分支。
 
电力电子器件的核心是电力电子器件的芯片。


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