電力電子器件(Power Electronic Device)又稱為功率半導體器件,主要用於電力裝置的電能變換和控制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)。
1、按照電力電子器件能夠被控制電路訊號所控制的程度分類:半控型器件,例如閘流體;全控型器件,例如GTO(門極可關斷閘流體)、GTR(電力電晶體),Power MOSFET(電力場效應電晶體)、IGBT(絕緣柵雙極電晶體);不可控器件,例如電力二極體。
2、按照驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間訊號的性質分類:電壓驅動型器件,例如IGBT、Power MOSFET、SITH(靜電感應閘流體);電流驅動型器件,例如閘流體、GTO、GTR。
3、根據驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間的有效訊號波形分類:脈衝觸發型,例如閘流體、GTO;電子控制型,例如GTR、PowerMOSFET、IGBT。
4、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:雙極型器件,例如電力二極體、閘流體、GTO、GTR;單極型器件,例如PowerMOSFET、SIT、肖特基勢壘二極體;複合型器件,例如MCT(MOS控制閘流體)、IGBT、SITH和IGCT。
特點:
電力二極體:結構和原理簡單,工作可靠。
閘流體: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,具有耐脈衝電流衝擊的能力,通態壓降較低,輸入阻抗高,為電壓驅動,驅動功率小;缺點:開關速度低於電力MOSFET,電壓,電流容量不及GTO。
GTR:耐壓高,電流大,開關特性好,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,驅動電路複雜,存在二次擊穿問題。
GTO:電壓、電流容量大,適用於大功率場合,具有電導調製效應,其通流能力很強。
電流關斷增益很小,關斷時門極負脈衝電流大,開關速度低,驅動功率大,驅動電路複雜,開關頻率低。
電力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,一般只適用於功率不超過10kW的電力電子裝置。
制約因素:耐壓,電流容量,開關的速度。
擴充套件資料
1、隨著電力電子技術應用的不斷髮展,對電力電子器件效能指標和可靠性的要求也日益苛刻。具體而言,要求電力電子器件具有更大的電流密度、更高的工作溫度、更強的散熱能力、更高的工作電壓、更低的通態壓降、更快的開關時間,而對於航天和軍事應用,還要求有更強的抗輻射能力和抗振動衝擊能力。
特別是航天、航空、艦船、輸變電、機車、裝甲車輛等使用條件惡劣的應用領域,以上要求更為迫切。
2、未來幾年中,儘管以矽為半導體材料的雙極功率器件和場控功率器件已趨於成熟,但是各種新結構和新工藝的引入,仍可使其效能得到進一步提高和改善,Coolmos、各種改進型IGBT和IGCT均有相當的生命力和競爭力。
3、電力電子器件的智慧化應用也在不斷研究中取得了實質成果。一些國外製造企業已經開發出了相應的IPM智慧化功率模組,結構簡單、功能齊全、執行可靠性高,並具有自診斷和保護的功能。
4、新型高頻器件碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)器件正在迅速發展,一些器件有望在不遠的將來實現商品化,總部位於美國北卡羅來納的CREE公司已經實現商用的SiC二極體和MOSFET。
但由於材料和製造工藝方面的問題,還需要大量的研究投入和時間才能逐步解決,北卡州立大學的FREEDM中心正在對此技術進行研究 。
電力電子器件(Power Electronic Device)又稱為功率半導體器件,主要用於電力裝置的電能變換和控制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)。
1、按照電力電子器件能夠被控制電路訊號所控制的程度分類:半控型器件,例如閘流體;全控型器件,例如GTO(門極可關斷閘流體)、GTR(電力電晶體),Power MOSFET(電力場效應電晶體)、IGBT(絕緣柵雙極電晶體);不可控器件,例如電力二極體。
2、按照驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間訊號的性質分類:電壓驅動型器件,例如IGBT、Power MOSFET、SITH(靜電感應閘流體);電流驅動型器件,例如閘流體、GTO、GTR。
3、根據驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間的有效訊號波形分類:脈衝觸發型,例如閘流體、GTO;電子控制型,例如GTR、PowerMOSFET、IGBT。
4、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:雙極型器件,例如電力二極體、閘流體、GTO、GTR;單極型器件,例如PowerMOSFET、SIT、肖特基勢壘二極體;複合型器件,例如MCT(MOS控制閘流體)、IGBT、SITH和IGCT。
特點:
電力二極體:結構和原理簡單,工作可靠。
閘流體: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,具有耐脈衝電流衝擊的能力,通態壓降較低,輸入阻抗高,為電壓驅動,驅動功率小;缺點:開關速度低於電力MOSFET,電壓,電流容量不及GTO。
GTR:耐壓高,電流大,開關特性好,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,驅動電路複雜,存在二次擊穿問題。
GTO:電壓、電流容量大,適用於大功率場合,具有電導調製效應,其通流能力很強。
電流關斷增益很小,關斷時門極負脈衝電流大,開關速度低,驅動功率大,驅動電路複雜,開關頻率低。
電力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,一般只適用於功率不超過10kW的電力電子裝置。
制約因素:耐壓,電流容量,開關的速度。
擴充套件資料
1、隨著電力電子技術應用的不斷髮展,對電力電子器件效能指標和可靠性的要求也日益苛刻。具體而言,要求電力電子器件具有更大的電流密度、更高的工作溫度、更強的散熱能力、更高的工作電壓、更低的通態壓降、更快的開關時間,而對於航天和軍事應用,還要求有更強的抗輻射能力和抗振動衝擊能力。
特別是航天、航空、艦船、輸變電、機車、裝甲車輛等使用條件惡劣的應用領域,以上要求更為迫切。
2、未來幾年中,儘管以矽為半導體材料的雙極功率器件和場控功率器件已趨於成熟,但是各種新結構和新工藝的引入,仍可使其效能得到進一步提高和改善,Coolmos、各種改進型IGBT和IGCT均有相當的生命力和競爭力。
3、電力電子器件的智慧化應用也在不斷研究中取得了實質成果。一些國外製造企業已經開發出了相應的IPM智慧化功率模組,結構簡單、功能齊全、執行可靠性高,並具有自診斷和保護的功能。
4、新型高頻器件碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)器件正在迅速發展,一些器件有望在不遠的將來實現商品化,總部位於美國北卡羅來納的CREE公司已經實現商用的SiC二極體和MOSFET。
但由於材料和製造工藝方面的問題,還需要大量的研究投入和時間才能逐步解決,北卡州立大學的FREEDM中心正在對此技術進行研究 。