功率器件概述

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1、高壓變頻技術(shù)主講人：邊春元2011年8月內(nèi)容介紹高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響三電平PWM電壓源變頻器原理三電平PWM整流控制策略PWM整流的基本原理高壓變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響三電平PWM逆變控制策略大容量多電平變換器發(fā)展概述IGCT系統(tǒng)現(xiàn)存問題初步探討功率器件概述一、功率器件概述1、功率器件的發(fā)展概況功率器件的發(fā)展對(duì)大功率應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展的促進(jìn)作用:器件特性的改善使其開關(guān)速度得以提高，同時(shí)降低了相關(guān)損耗，器件的開關(guān)容量也隨之提高；包含門級(jí)(或柵極、基極)驅(qū)動(dòng)在內(nèi)的模塊化趨勢(shì)在一定程度上促進(jìn)了電路設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化。功率器件發(fā)展史上的五次突破性發(fā)展：一、功率

2、器件概述（續(xù)）硅普通晶閘管（SCR）的誕生:1955年GE公司制造出世界上第一個(gè)硅整流管(SR)；1957年GE公司制造出第一個(gè)硅普通晶閘管(SCR)。由于具有體積小、重量輕、效率高、壽命長(zhǎng)、速度快、使用維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，特別是SCR能以微小電流控制較大的功率，因此伴隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，電力半導(dǎo)體器件一誕生便從弱電控制領(lǐng)域進(jìn)入了強(qiáng)電控制領(lǐng)域。將它用于強(qiáng)電自動(dòng)化系統(tǒng)取代汞弧整流器，為變流器的固體化、靜止化及無觸點(diǎn)化奠定了基礎(chǔ)，并獲得了巨大的節(jié)能效果。發(fā)展極為迅速，出現(xiàn)了快速晶閘管、光控晶閘管、非對(duì)稱晶閘管及雙向晶閘管等派生晶閘管。它經(jīng)歷了

3、50年代的萌芽生長(zhǎng)期、60年代的工藝技術(shù)革新和品種開發(fā)期、70年代的提高可靠性和擴(kuò)大應(yīng)用期，如今已進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)和成熟應(yīng)用期。共同特點(diǎn)：換相關(guān)斷、大電流、高電壓、工作頻率在幾百Hz到一千Hz。一、功率器件概述（續(xù)）GTO、GTR和MOSFET等全控型器件的出現(xiàn)及批量生產(chǎn):1960年GE公司的Van.Liaten和Navon描述了門極關(guān)斷PNPN開關(guān)，首次提出GTO的設(shè)想，經(jīng)美國A.K.Jonscher、Makintosh和Golde.Y在理論和控制方法進(jìn)行完善；1962年美國T.A.Lougo用平板外延工藝研制出第一個(gè)GTO；1973年，

4、GE公司在GTO的設(shè)計(jì)制造工藝上有所突破。該公司的Wolley發(fā)明了采用擴(kuò)金技術(shù)以縮短關(guān)斷時(shí)間并控制關(guān)斷增益，采用放大門極和叉指狀漸開線的門-陰極結(jié)構(gòu)以提高GTO的靈敏度和關(guān)斷能力，采用放大門極二極管分流器以降低GTO關(guān)斷時(shí)的門極阻抗，此后GTO才開始批量生產(chǎn)。20世紀(jì)60-70年代出現(xiàn)的全控型器件可簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)電力電子設(shè)備中的變頻、逆變及斬波，特別是頻率提高后易于實(shí)現(xiàn)“最佳頻率”用電，為電力電子設(shè)備的小型化、高效化創(chuàng)造了條件。GTR和GTO雖具有高耐壓、大電流的優(yōu)點(diǎn)，但均屬于電流型控制器件，基極和門極的輸入阻抗較小，需要消除積存的載流子，

5、所以存在開關(guān)頻率仍較低（一般小于4KHz）等不足。同時(shí)，在大功率系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，要求提供較大的驅(qū)動(dòng)電流，常因驅(qū)動(dòng)電路性能不好而損壞，因而限制了它們的應(yīng)用。一、功率器件概述（續(xù)）IGBT、MCT和IGCT等雙機(jī)理復(fù)合電力半導(dǎo)體器件的開發(fā):電力MOSFET雖然具有電壓驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)功率小、速度性能好等優(yōu)點(diǎn)，但限于制造技術(shù)及材料水平，短時(shí)間難以制成高耐壓、大電流的器件。20世紀(jì)80年代開發(fā)出了雙機(jī)理復(fù)合電力半導(dǎo)體器件IGBT,MCT,IGCT。它們發(fā)揮了GTR、GTO以及電力MOSFET的共同優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)棄其缺點(diǎn)，這類器件的柵極為MOS結(jié)構(gòu)，而輸出極為GT

6、R、GTO或SCR結(jié)構(gòu)。這些器件兼有構(gòu)成它的兩種器件的共同優(yōu)點(diǎn)：高耐壓、低功耗、易驅(qū)動(dòng)、高頻率。現(xiàn)在IGBT的單管容量己超過GTR的水平，IGBT的開關(guān)頻率已可與MOSFET相媲美，并己開始在電力電子設(shè)備中取代電力MSOFET、GTO和GTR。一、功率器件概述（續(xù)）功率集成電路（PIC）的出現(xiàn):20世紀(jì)80年代中期，半導(dǎo)體材料學(xué)及電力半導(dǎo)體器件制造工藝技術(shù)的發(fā)展和電力電子設(shè)備的發(fā)展要求，促使第四代電力半導(dǎo)體器件——功率集成電路的出現(xiàn)；1981年試制成功功率集成電路（PIC），它將電力半導(dǎo)體器件及其驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路與外部微機(jī)和C

7、PU連接的接口電路制造在一個(gè)封裝內(nèi)，經(jīng)過10多年的發(fā)展，PIC己分為高壓PIC（HVPIC）和智能PIC（SPIC）兩大類。PIC實(shí)現(xiàn)了電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)兩大半導(dǎo)體分支的結(jié)合，完成了“電力電子——微電子”的緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力信號(hào)一體化，實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)流與信息流的結(jié)合，將電力電子技術(shù)推向了一個(gè)嶄新的時(shí)代。一、功率器件概述（續(xù)）IGCT、高壓IGBT和IEGT的出現(xiàn):20世紀(jì)80年代中期，人們普遍看好MCT（MOS控制晶柵管），其原因在于當(dāng)時(shí)美國GE公司己有產(chǎn)品，美國的Harris公司己可批量向市場(chǎng)提供這類器件。MCT是一個(gè)MOS門的PN

8、PN晶閘管，它可以在MOS門上加一個(gè)窄脈沖控制其導(dǎo)通和關(guān)斷，與其他電力半導(dǎo)體器件不同的是，MCT具有小細(xì)胞結(jié)構(gòu)，而其器件具有大量并聯(lián)而匹配的單胞。它的頻率與IGBT差不多，但其低的通態(tài)壓降是一