文档介绍：第一部分:功率电子器件

第一节: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。

第二节:功率电子器件概览
一. 整流二极管:
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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 -,适合小功率,12V 左
右电源。
2. 高效超快速二极管。-,适合小功率,12V 左右电源。
3. 肖特基势垒整流二极管 SBD。,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。
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。

图 1-1: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。

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图 1-2:达林顿模块电路典型结构
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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)。
三. 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。
四. 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。
五. 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。