电力电子器件综述

《电力电子器件综述》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、电力电子器件综述电力电子器件是电力电子技术的基础和核心。电力电子技术的不断拓扑和发展都是围绕着各种新型电力电子器件的诞生和完善进行的。“一代电力电子器件带动一代电力电子技术应用”是业界人士普遍的共识，可见其重要。电力电子技术就是一种采用电力电子器件进行功率变换和控制的技术。由于电力电子学是以电力（Power）为对象的电子学，因此电力电子器件与微电子器件的区别是“服务对象”不同而导致其功能不同，但都是以半导体材料为基板制作成的电子器件。电力电子技术的特征是高效和节能，这主要是电力电子器件一般工作在

2、较理想的开关状态，其特点是：导通时压降很低；关断时漏电流很低。由此可以知道器件本身的功耗与它所控制的功率相比是非常小的，一般可以忽略不计。1电力电子器件发展过程做电力电子器件所用的材料有锗、硅和碳化硅。锗在上世纪70年代已经基本不用了，目前绝大部分电力电子器件是采用硅材料做出的。碳化硅是一种潜力较大的电力电子器件材料，目前正在发展之中。电力电子器件有近60年的历史，比起一些传统产业，如发电、电机、机床等行业还是比较“年轻”。但它的发展速度很快，在一些具有里程碑意义的电力电子器件诞生之后，在自动化

3、、传感电子和信息技术的配合下，在工业界掀起了一场又一场的“革命”。可以说是电力电子器件带着电力电子技术走进了千家万户，走进了国民经济的许多领域。在半导体器件出现以前，电子器件主要是真空管和离子管等。1902年Hewitt发明了玻壳汞弧整流二极管；1911年Scohafer发展为铁壳汞弧整流二极管。由于Langmuir发表了等离子理论，导致Holl在1929年发明了热阴极三极放电管。1948年，在美国贝尔实验室诞生了世界上第一个锗晶体管，开创了半导体器件的新纪元。半导体器件无需灯丝加热，其损耗极低

4、，寿命远远高于电子管。1956年贝尔实验室发表了有关信号电平用的pnpn型开关。1958年，着眼于电力应用的美国通用电气（GE）公司率先研制出世界上第一个可控硅整流元件（SCR_SiliconControlledRectifier）。此后，人们将这种四层pn结和三端结构的半导体器件称为晶体闸流管（Thyristor），简称晶闸管。晶闸管是电力电子器件中的代表性器件，到目前为至，已有数百种不同结构的电力电子器件。由于器件结构的变化，导致了器件的外特性不尽相同，而电力电子应用工程师们将它们巧妙地用在

5、了不同的工业控制装置中，使得这些装置广泛应用在不同的工业领域，促进和推动了国民经济的发展。随着晶闸管的出现，电子学进入了强电领域，并显示出它的强劲的生命力。在上世纪70年代初期，晶闸管基本取代了维护困难的汞弧管。上世纪七十年代是晶闸管统治电力电子器件的全盛时代，到了八十年代，晶闸管的发展已完全成熟。而九十年代，作为中小功率用的逆变器件，逐步让位于工作频率较高的门极可关断晶闸管(GTO)、大功率晶体管（GTR）、功率金属氧化物半导体场效应晶体管（功率MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等

6、，当然，还有SIT、SITH、MCT等器件也出现在人们面前。在许多传统的相控整流领域，开始逐步被开关整流所取代。但在大功率范畴，双极性器件仍明显占主导地位。由于电力电子技术的应用领域不断拓展和深入，对电力电子器件的性能有了新的要求，这样一些新型电力电子器件不断涌现。这些器件有的是在GTO、功率MOSFET、IGBT的基础上对内部结构进行一定的改良，有的是将电力电子器件与其他器件或电路进行物理上的组合，如：集成门极换向晶闸管（IGCT）、电子注入增强栅晶体管（IEGT）、集成电力电子模块（IPM）

7、、电力电子组合模块(PEBB)等。2电力电子器件的几个重要概念电力电子器件是一种大功率的半导体器件，它的基本工作原理与其他半导体类似，都基于半导体物理，如载流子的工作机理、空间电荷区、能级理论等。但是电力电子器件一般是工作在大电流和高电压下，因此就会有一系列特殊的物理过程和性能，这些性能对电力电子器件的拓扑和演变是非常重要的，下面简单介绍几个重要概念。双极型器件和单极型器件依靠多数载流子和少数载流子（电子和空穴）同时进行导电的半导体器件称为双极型器件，像普通整流管、普通晶闸管、快速晶闸管、GTO

8、、IGCT、IGBT等等。仅依靠多数载流子（电子或空穴）进行导电的半导体器件称为单极型器件，如功率MOSFET和静态感应型等电力电子器件。由于单极型器件没有少子参与导电，因此在器件关断期间没有少子的恢复过程，所以单极型器件的开关速度远远高于双极型器件。但是单极型器件没有像双极型器件具有电导调制作用，因此通态压降较大，电流密度较小。一般情况下，通态电流在100A以上，电压在600V以上，就是双极型电力电子器件的天下了。空间电荷区在一块半导体中，如果一部分是N型半导体，一部分是P型半导体，那么他们的