电力电子器件知识大全BOB半岛综合

　　BOB半岛综合电力电子器件是伴随着电力技术和交流调速技术的发展而发展起来的，是电力电子装置和现代交流调速装置的核心器件。（半导体）电力电子技术起始于20世纪50年代末60年代初，起点是硅整流器件。

　　广义上的电力电子器件（power electronic device）可分为电真空器件和半导体器件两类。

　　自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。

　　第二代：自关断器件：上世纪八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件。标志着传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

　　现代电力电子技术的发展方向：从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。

　　电力电子器件：可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。同处理信息的普通电子器件相对比，电力电子器件的一般特征：

　　其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多都远大于处理信息的电子器件。

　　导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定；

　　阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定；

　　在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。

　　通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。

　　控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上，往往将其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。

　　主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流。

　　因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离，而通过其它手段如光、磁等来传递耦合。

　　由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些。因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必要的。

　　器件一般有三个端子（或称极），其中两个联结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。

　　通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断.晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件

　　不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路 电力二极管（Power Diode）

　　电压驱动型--仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制

　　电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件

　　Power Diode，属于不可控器件。结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。其中快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。

　　基本结构和工作原理和普通二极管一样， 以半导体PN结为基础， 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装

　　PN结的电容效应：PN结的电荷量随外加电压变化而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。

　　根据正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能指标，特别是反向恢复特性的不同有不同的类型。应用时，应根据不同场合的不同要求，选择不同类型的电力二极管。

　　整流二极管: 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中，其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。

　　快恢复二极管: 恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管。 工艺上多采用了掺金措施。

　　肖特基二极管: 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode--SBD），简称为肖特基二极管。20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用。

　　弱点： 当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下?反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。

　　晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier--SCR）。俗称可控硅，一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示）。

　　晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

　　晶闸管往往专指一种基本类型--普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。

　　外形有螺栓型和平板型两种封装。引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端

　　晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下

　　可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等

　　可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种BOB半岛综合。

　　通常，大功率晶闸管多采用金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或陶瓷封装。

　　a. 快速晶闸管 ：包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管

　　管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善

　　可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成， 有两个主电极T1和T2，一个门极G。 正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性

　　一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（Solid State Relay--SSR）和交流电机调速等领域应用较多

　　小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子；大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器?光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。

　　Gate-Turn-Off Thyristor——GTO，晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。

　　GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用

　　GTR：结构和工作原理与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的，主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。

　　通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。

　　用栅极电压来控制漏极电流。驱动电路简单，需要的驱动功率小 ，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR

　　缺点是电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

　　导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管BOB半岛综合。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别：

　　小功率MOS管是横向导电器件；电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET），这种结构工艺，大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。

　　1）GTR和GTO的特点：双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂；

　　2）OSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。

　　属于GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有良好的特性。1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场BOB半岛综合，中小功率电力电子设备的主导器件。如果能够继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位

　　简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构BOB半岛综合，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管

　　驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定

　　导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通

　　关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断

　　(1) 开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时BOB半岛综合，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当

　　(2) 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力

　　(4) 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似(5) 与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点

　　MCT结合了二者的优点：MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程；晶闸管的高电压大电流、低导通压降。

　　一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：一个PNPN晶闸管、一个控制该晶闸管开通的MOSFET和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。

　　MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。

　　SIT（Static Induction Transistor）：1970年出现，结型场效应晶体管，小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件。

　　属于多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合

　　在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用

　　缺点是：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便；通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用

　　SITH（Static Induction Thyristor）：1972年出现，在SIT的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同的发射极层而得到，因其工作原理与SIT类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流，因此SITH又被称为场控晶闸管，（Field Controlled Thyristor——FCT），比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结。

　　SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。

　　SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展

　　IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor），也称GCT（Gate-Commutated Thyristor），20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大。目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。

　　20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。

　　将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（Power Integrated Circuit，PIC），类似功率集成电路的还有许多名称，但实际上各有侧重。

　　可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求

　　高压集成电路（High Voltage IC，HVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成

　　智能功率集成电路（Smart Power IC，SPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成

　　智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点，最近几年获得了迅速发展功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口