功率电子器件

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一.功率电子器件及其应用要求
功率电子器件大量被应用于电源、伺服驱动、变频器、电机保护器等功率电子设备。这些设备都是自动化系统中必不可少的，因此，我们了解它们是必要的。
近年来，随着应用日益高速发展的需求，推动了功率电子器件的制造工艺的研究和发展，功率电子器件有了飞跃性的进步。器件的类型朝多元化发展，性能也越来越改善。大致来讲，功率器件的发展，体现在如下方面：
1． 器件能够快速恢复，以满足越来越高的速度需要。以开关电源为例，采用双极型晶体管时，速度可以到几十千赫；使用MOSFET和IGBT，可以到几百千赫；而采用了谐振技术的开关电源，则可以达到兆赫以上。
2． 通态压降（正向压降）降低。这可以减少器件损耗，有利于提高速度，减小器件体积。
3． 电流控制能力增大。电流能力的增大和速度的提高是一对矛盾，目前最大电流控制能力，特别是在电力设备方面，还没有器件能完全替代可控硅。
4． 额定电压：耐压高。耐压和电流都是体现驱动能力的重要参数，特别对电力系统，这显得非常重要。
5． 温度与功耗。这是一个综合性的参数，它制约了电流能力、开关速度等能力的提高。目前有两个方向解决这个问题，一是继续提高功率器件的品质，二是改进控制技术来降低器件功耗，比如谐振式开关电源。
总体来讲，从耐压、电流能力看，可控硅目前仍然是最高的，在某些特定场合，仍然要使用大电流、高耐压的可控硅。但一般的工业自动化场合，功率电子器件已越来越多地使用MOSFET和IGBT，特别是IGBT获得了更多的使用，开始全面取代可控硅来做为新型的功率控制器件。
二.功率电子器件概览
（1）． 整流二极管：
二极管是功率电子系统中不可或缺的器件，用于整流、续流等。目前比较多地使用如下三种选择：
1． 高效快速恢复二极管。压降0.8-1.2V，适合小功率，12V左右电源。
2． 高效超快速二极管。0.8-1.2V，适合小功率，12V左右电源。
3． 肖特基势垒整流二极管SBD。0.4V，适合5V等低压电源。缺点是其电阻和耐压的平方成正比，所以耐压低（200V以下），反向漏电流较大，易热击穿。但速度比较快，通态压降低。
目前SBD的研究前沿，已经超过1万伏。
（2）．大功率晶体管GTR
分为：
单管形式。电流系数：10-30。

双管形式——达林顿管。电流倍数：100-1000。饱和压降大，速度慢。下图虚线部分即是达林顿管。

达林顿管应用

实际比较常用的是达林顿模块，它把GTR、续流二极管、辅助电路做到一个模块内。在较早期的功率电子设备中，比较多地使用了这种器件。图1-2是这种器件的内部典型结构。

达林顿模块电路典型结构

两个二极管左侧是加速二极管，右侧为续流二极管。加速二极管的原理是引进了电流串联正反馈，达到加速的目的。
这种器件的制造水平是1800V/800A/2KHz、600V/3A/100KHz左右（参考）。
（3）． 可控硅SCR
可控硅在大电流、高耐压场合还是必须的，但在常规工业控制的低压、中小电流控制中，已逐步被新型器件取代。
目前的研制水平在12KV/8000A左右（参考）。
由于可控硅换流电路复杂，逐步开发了门极关断晶闸管GTO。制造水平达到8KV/8KA，频率为1KHz左右。
无论是SCR还是GTO，控制电路都过于复杂，特别是需要庞大的吸收电路。而且，速度低，因此限制了它的应用范围拓宽。
集成门极换流晶闸管IGCT和MOS关断晶闸管之类的器件在控制门极前使用了MOS栅，从而达到硬关断能力。
（4）． 功率MOSFET
又叫功率场效应管或者功率场控晶体管。
其特点是驱动功率小，速度高，安全工作区宽。但高压时，导通电阻与电压的平方成正比，因而提高耐压和降低高压阻抗困难。
适合低压100V以下，是比较理想的器件。
目前的研制水平在1000V/65A左右（参考）。商业化的产品达到60V/200A/2MHz、500V/50A/100KHz。是目前速度最快的功率器件。
（5）． IGBT
又叫绝缘栅双极型晶体管。
这种器件的特点是集MOSFET与GTR的优点于一身。输入阻抗高，速度快，热稳定性好。通态电压低，耐压高，电流大。
目前这种器件的两个方向：一是朝大功率，二是朝高速度发展。大功率IGBT模块达到1200-1800A/1800-3300V的水平（参考）。速度在中等电压区域（370-600V），可达到150-180KHz。
它的电流密度比MOSFET大，芯片面积只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET低。

尽管电力电子器件发展过程远比我们现在描述的复杂，但是MOSFET和IGBT，特别是IGBT已经成为现代功率电子器件的主流。