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[導讀]什么是功率器件?功率器件,也被稱為電力電子器件,簡單來說,就是具有處理高電壓、大電流能力的功率型半導體器件。由于早期主要用于電力設備的電能變換和控制電路方面,因此得名“電力電子器件”。Q:功率處理怎么理解?A:一般指的是變頻、變壓、變流、功率管理等電路處理動作。Q:高電壓有多高?...

什么是功率器件?

功率器件,也被稱為電力電子器件,簡單來說,就是具有處理高電壓、大電流能力的功率型半導體器件。由于早期主要用于電力設備的電能變換和控制電路方面,因此得名“電力電子器件”。



Q:功率處理怎么理解?

A:一般指的是變頻、變壓、變流、功率管理等電路處理動作。

Q:高電壓有多高?大電流有多大?

A:電壓處理范圍通常為數(shù)百伏以上,電流為數(shù)十至數(shù)千安。

Q:典型的功率器件有哪些?

A:Diode、GTR、Thyristor、SCR、GTO、MOSFET 、IGBT、MCT、IGCT、IECT、IPEM、PEBB等,具體信息請繼續(xù)閱讀下一章節(jié)——“功率器件發(fā)展史”。

Q:功率器件這么多,如何分類?

A:按照導通、關斷的受控情況可分為不可控、半控和全控型功率器件;按照載流子導電情況可分為雙極型、單極型和復合型功率器件;按照控制信號情況,可以分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型功率器件。

Q:如果想學習功率器件相關知識,有推薦的資料或書籍嗎?

A:細細想來,作為一名“攻城獅”,在初學階段用的是Prof. Ned Mohan寫的那本經(jīng)典的《Power Electronics:Converters, Applications and Design》,其中功率半導體章節(jié)不算多,但是寫的很細致,細細讀完可以掌握幾種常見的功率器件基本原理。在此基礎上,看了Prof. Jayant Baliga的《Fundamentals of PowerSemiconductor Devices》和Prof. Josef Lutz的《Semiconductor Power Devices》的穩(wěn)定性相關部分。小伙伴們,如果有好的書籍可以在互動里面分享給我們哦。


功率器件發(fā)展史



電子管時代

1904年英國佛萊明在「愛迪生效應」的基礎上研制出了“熱離子閥”, 從而催生了世界上第一只電子管,稱為佛萊明管(真空二極檢波管),世界進入電子管時代。當時的佛萊明管只有檢波與整流的作用,性能并不穩(wěn)定,主要用在通信和無線電領域。


真空管時代

1906年,為了提高真空二極管檢波靈敏度,德·福雷斯特在佛萊明的玻璃管內(nèi)添加了柵欄式的金屬網(wǎng),形成第三個極,從此二極管搖身一變,成為三極真空管,并兼具放大與振蕩的功能。


銀整流器時

1930年代-1950年代是水銀整流器迅速發(fā)展的30年,集聚整流、逆變、周波變流等功用,廣泛應用于電化學工業(yè)、電氣鐵道直流變電、直流電動機的傳動等領域。


第一代功率器件——半控型晶閘管時代1947年,貝爾實驗室發(fā)明了由多晶鍺構成的點觸式晶體管,后又在硅材料上得到驗證,一場電子技術的革命開始了。
1957年,美國通用電氣公司發(fā)明了晶閘管,標志著電力電子技術的誕生,正式進入了以晶閘管為代表的第一代電力電子技術發(fā)展階段。當時的晶閘管主要用于相控電路,工作頻率一般低于400Hz,較水銀整流器,具有體積小、可靠性高、節(jié)能等優(yōu)點。但只能控制導通,不能控制關斷的半控型特點在直流供電場合的使用顯得很雞肋,必須要加上電感、電容以及其他開關件才能強制換流,從而導致變流裝置整機體積增大、效率降低等問題的出現(xiàn)。
第二代功率器件——以GTO、BJT、MOSFET、IGBT為代表的全控型功率器件時代1970年代,既能控制導通,又能控制關斷的全控型功率器件在集成電路技術的發(fā)展過程中應運而生,如門極可關斷晶閘管GTO、電力雙極型晶體管BJT、電力場效應晶體管功率MOSFET等,其工作頻率達到兆赫級,常被應用于直流高頻斬波電路、軟開關諧振電路、脈寬調(diào)制電路等。
到了1980年代后期,絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)出現(xiàn),兼具MOSFET輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、開關速度快和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大、耐壓高的優(yōu)點,因此在中低頻率、大功率電源中運用廣泛。
功率器件功率頻譜(左)
電源系統(tǒng)設計

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