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功率电子器件应用要求以及概述

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 。
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 。
【功率电子器件应用要求以及概述】 它的电流密度比MOSFET大，芯片面积只有MOSFET的40% 。但速度比MOSFET低 。

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