電力電子器件用于電能變換和電能控制電路中的大功率(通常指電流為數(shù)十至數(shù)千安,電壓為數(shù)百伏以上)電子器件,又稱功率電子器件。20世紀(jì)50年代的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(fā)展起來(lái)的晶閘管由于工作可靠、壽命長(zhǎng)、體積小、開(kāi)關(guān)速度快,在電力電子電路中得到廣泛應(yīng)用。到70年代初期,晶閘管已逐步取代汞弧閘流管。
電力電子技術(shù)的發(fā)展,不僅要求提高電力電子器件的控制功率容量和工作頻率,而且要求降低器件的功率損耗,縮小器件及其控制電路的體積。半導(dǎo)體技術(shù)的新成就,為此提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。80年代,普通晶閘管已能開(kāi)關(guān)數(shù)千安的電流和承受數(shù)千伏的正、反向工作電壓。在此基礎(chǔ)上又開(kāi)發(fā)了雙向晶閘管、光控晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管等一系列派生器件。與此同時(shí)還開(kāi)拓了單極型MOS功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管,雙極型功率晶體管、靜電感應(yīng)晶閘管、功能組合模塊和功率集成電路等嶄新的電力電子器件。
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①功率二極管,包括功率整流二極管、肖特基二極管、齊納穩(wěn)壓管和二極管組件。
②功率三極管,包括功率達(dá)林頓晶體管、MOS功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管、隔離柵晶體管、功率靜電感應(yīng)晶體管。
③晶閘管系列,主要是晶閘管及其派生器件,有普通晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、不對(duì)稱晶閘管、門極輔助關(guān)斷晶閘管、光控晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、靜電感應(yīng)晶閘管。當(dāng)然,還可以作其他的分類,但這是一種簡(jiǎn)要的分類方法。
電力電子器件工作特性
各種電力電子器件均具有導(dǎo)通和阻斷二種工作特性。功率二極管是二端器件(指陰極和陽(yáng)極二端),其器件電流由伏安特性決定,除了改變加在二端間的電壓外,無(wú)法控制其陽(yáng)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(hào)能控制元件的導(dǎo)通,但不能控制其關(guān)斷,稱半控型器件??申P(guān)斷晶閘管、功率晶體管等器件,其門極信號(hào)既能控制器件的導(dǎo)通,又能控制其關(guān)斷,稱全控型器件。半控型和全控型電力電子器件控制靈活,電路簡(jiǎn)單,開(kāi)關(guān)速度快,廣泛應(yīng)用于整流、逆變、斬波電路中,是電動(dòng)機(jī)調(diào)速、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、感應(yīng)加熱、電鍍、電解、直流輸電等電力電子裝置中的核心部件。
電力電子器件發(fā)展
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(guò)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(lái)的電力電子器件單極型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。
80年代發(fā)展起來(lái)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(guò)程,所以比一般晶閘管有更高的開(kāi)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代功率電子器件向大電流、高電壓發(fā)展過(guò)程中所積累起來(lái)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。
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(lái)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(kāi)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(kāi)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。