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功率器件的前世今生

发布时间:2020-10-22 责任编辑:lina

【导读】电力电子器件(Power Electronic Device),又称为功率半导体器件,用于电能变换和电能控制电路中的大功率(通常指电流为数十至数千安,电压为数百伏以上)电子器件。由于早期主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面,因此得名“电力电子器件”。
  
电力电子器件(Power Electronic Device),又称为功率半导体器件,用于电能变换和电能控制电路中的大功率(通常指电流为数十至数千安,电压为数百伏以上)电子器件。由于早期主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面,因此得名“电力电子器件”。

Q:功率处理怎么理解?

A:一般指的是变频、变压、变流、功率管理等电路处理动作。

Q:高电压有多高?大电流有多大?

A:电压处理范围通常为数百伏以上,电流为数十至数千安。

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。

Q:功率器件这么多,如何分类?

A:按照导通、关断的受控情况可分为不可控、半控和全控型功率器件;

按照载流子导电情况可分为双极型、单极型和复合型功率器件;

按照控制信号情况,可以分为电流驱动型和电压驱动型功率器件。

电子管时代

1904 年英国佛莱明在「爱迪生效应」的基础上研制出了“热离子阀”, 从而催生了世界上第一只电子管,称为佛莱明管(真空二极检波管),世界进入电子管时代。当时的佛莱明管只有检波与整流的作用,性能并不稳定,主要用在通信和无线电领域。

真空管时代

1906 年,为了提高真空二极管检波灵敏度,德·福雷斯特在佛莱明的玻璃管内添加了栅栏式的金属网,形成第三个极,从此二极管摇身一变,成为三极真空管,并兼具放大与振荡的功能。

水银整流器时代

1930 年代 -1950 年代是水银整流器迅速发展的 30 年,集聚整流、逆变、周波变流等功用,广泛应用于电化学工业、电气铁道直流变电、直流电动机的传动等领域。

第一代功率器件——半控型晶闸管时代

1947 年,贝尔实验室发明了由多晶锗构成的点触式晶体管,后又在硅材料上得到验证,一场电子技术的革命开始了。

1957 年,美国通用电气公司发明了晶闸管,标志着电力电子技术的诞生,正式进入了以晶闸管为代表的第一代电力电子技术发展阶段。当时的晶闸管主要用于相控电路,工作频率一般低于 400Hz,较水银整流器,具有体积小、可靠性高、节能等优点。但只能控制导通,不能控制关断的半控型特点在直流供电场合的使用显得很鸡肋,必须要加上电感、电容以及其他开关件才能强制换流,从而导致变流装置整机体积增大、效率降低等问题的出现。
 
功率器件的前世今生

第二代功率器件——以 GTO、BJT、MOSFET、IGBT 为代表的全控型功率器件时代

1970 年代,既能控制导通,又能控制关断的全控型功率器件在集成电路技术的发展过程中应运而生,如门极可关断晶闸管 GTO、电力双极型晶体管 BJT、电力场效应晶体管功率 MOSFET 等,其工作频率达到兆赫级,常被应用于直流高频斩波电路、软开关谐振电路、脉宽调制电路等。

到了 1980 年代后期,绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)出现,兼具 MOSFET 输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快和 BJT 通态压降小、载流能力大、耐压高的优点,因此在中低频率、大功率电源中运用广泛。

第三代功率器件——宽禁带功率器件

随着以硅材料为基础的功率器件逐渐接近其理论极限值,利用宽禁带半导体材料制造的电力电子器件显示出比 Si 和 GaAs 更优异的特性,给功率半导体产业的发展带来了新的生机。

2014 年,美国奥巴马政府连同企业一道投资 1.4 亿美元在 NCSU 成立 TheNext Generation Power Electronics Institute,发展新一代宽禁带电力半导体器件。

相对于 Si 材料,使用宽禁带半导体材料制造新一代的功率器件,可以变得更小、更快、更可靠和更高效。这将减少功率器件的质量、体积以及生命周期成本,允许设备在更高的温度、电压和频率下工作,使得功率器件使用更少的能量却可以实现更高的性能。
 
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