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  • 電力電子器件與分類介紹
    • 發布時間:2022-07-29 19:06:04
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    電力電子器件與分類介紹
    電力電子器件介紹
    電力電子器件(Power Electronic Device)又稱為功率半導體器件,主要用于電力設備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)。
    功率器件幾乎用于所有的電子制造業,包括計算機領域的筆記本、PC、服務器、顯示器以及各種外設;網絡通信領域的手機、電話以及其它各種終端和局端設備;消費電子領域的傳統黑白家電和各種數碼產品;工業控制類中的工業PC、各類儀器儀表和各類控制設備等。
    電力電子器件
    除了保證這些設備的正常運行以外,功率器件還能起到有效的節能作用。由于電子產品的需求以及能效要求的不斷提高,中國功率器件市場一直保持較快的發展速度。
    20世紀50年代,電力電子器件主要是汞弧閘流管和大功率電子管。60年代發展起來的晶閘管,因其工作可靠、壽命長、體積小、開關速度快,而在電力電子電路中得到廣泛應用。
    70年代初期,已逐步取代了汞弧閘流管。80年代,普通晶閘管的開關電流已達數千安,能承受的正、反向工作電壓達數千伏。
    在此基礎上,為適應電力電子技術發展的需要,又開發出門極可關斷晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導晶閘管等一系列派生器件,以及單極型MOS功率場效應晶體管、雙極型功率晶體管、靜電感應晶閘管、功能組合模塊和功率集成電路等新型電力電子器件。
    各種電力電子器件均具有導通和阻斷兩種工作特性。功率二極管是二端(陰極和陽極)器件,其器件電流由伏安特性決定,除了改變加在二端間的電壓外,無法控制其陽極電流,故稱不可控器件。
    普通晶閘管是三端器件,其門極信號能控制元件的導通,但不能控制其關斷,稱半控型器件??申P斷晶閘管、功率晶體管等器件,其門極信號既能控制器件的導通,又能控制其關斷,稱全控型器件。
    后兩類器件控制靈活,電路簡單,開關速度快,廣泛應用于整流、逆變、斬波電路中,是電動機調速、發電機勵磁、感應加熱、電鍍、電解電源、直接輸電等電力電子裝置中的核心部件。
    這些器件構成裝置不僅體積小、工作可靠,而且節能效果十分明顯(一般可節電10%~40%)。
    單個電力電子器件能承受的正、反向電壓是一定的,能通過的電流大小也是一定的。因此,由單個電力電子器件組成的電力電子裝置容量受到限制。
    所以,在實用中多用幾個電力電子器件串聯或并聯形成組件,其耐壓和通流的能力可以成倍地提高,從而可極大地增加電力電子裝置的容量。
    器件串聯時,希望各元件能承受同樣的正、反向電壓;并聯時則希望各元件能分擔同樣的電流。但由于器件的個異性,串、并聯時,各器件并不能完全均勻地分擔電壓和電流。
    所以,在電力電子器件串聯時,要采取均壓措施;在并聯時,要采取均流措施。
    電力電子器件工作時,會因功率損耗引起器件發熱、升溫。器件溫度過高將縮短壽命,甚至燒毀,這是限制電力電子器件電流、電壓容量的主要原因。
    為此,必須考慮器件的冷卻問題。常用冷卻方式有自冷式、風冷式、液冷式(包括油冷式、水冷式)和蒸發冷卻式等。
    電力電子器件分類
    按照電力電子器件能夠被控制電路信號所控制的程度分類:
    1.半控型器件,例如晶閘管;
    2.全控型器件,例如GTO(門極可關斷晶閘管)、GTR(電力晶體管),Power MOSFET(電力場效應晶體管)、IGBT(絕緣柵雙極晶體管);
    3.不可控器件,例如電力二極管。
    電力電子器件
    按照驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質分類:
    1.電壓驅動型器件,例如IGBT、Power MOSFET、SITH(靜電感應晶閘管);
    2.電流驅動型器件,例如晶閘管、GTO、GTR。
    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信號波形分類:
    1.脈沖觸發型,例如晶閘管、GTO;
    2.電子控制型,例如GTR、PowerMOSFET、IGBT。
    電力電子器件
    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:
    1.雙極型器件,例如電力二極管、晶閘管、GTO、GTR;
    2.單極型器件,例如PowerMOSFET、SIT、肖特基勢壘二極管;
    3.復合型器件,例如MCT(MOS控制晶閘管)、IGBT、SITH和IGCT。
    電力電子器件優缺點
    電力二極管:結構和原理簡單,工作可靠;
    晶閘管: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,具有耐脈沖電流沖擊的能力,通態壓降較低,輸入阻抗高,為電壓驅動,驅動功率??;缺點:開關速度低于電力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,驅動電路復雜,存在二次擊穿問題
    GTO:電壓、電流容量大,適用于大功率場合,具有電導調制效應,其通流能力很強;缺點:電流關斷增益很小,關斷時門極負脈沖電流大,開關速度低,驅動功率大,驅動電路復雜,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,一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。
    制約因素:耐壓,電流容量,開關的速度。
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