常用的功率元器件大全

常用的功率元器件有哪些？

電力電子器件（Power Electronic Device），又稱為功率半導(dǎo)體器件，用于電能變換和電能控制電路中的大功率（通常指電流為數(shù)十至數(shù)千安，電壓為數(shù)百伏以上）電子器件。可以分為半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶閘管為半控型器件，承受電壓和電流容量在所有器件中最高；電力二極管為不可控器件，結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠；還可以分為電壓驅(qū)動(dòng)型器件和電流驅(qū)動(dòng)型器件，其中GTO、GTR為電流驅(qū)動(dòng)型器件，IGBT、電力MOSFET為電壓驅(qū)動(dòng)型器件。

1. MCT （MOS Control led Thyristor）：MOS控制晶閘管

MCT的等效電路圖

MCT 是一種新型MOS 與雙極復(fù)合型器件。如上圖所示。MCT是將 MOSFET 的高阻抗、低驅(qū)動(dòng)圖 MCT 的功率、快開關(guān)速度的特性與晶閘管的高壓、大電流特型結(jié)合在一起，形成大功率、高壓、快速全控型器件。實(shí)質(zhì)上MCT 是一個(gè)MOS 門極控制的晶閘管。它可在門極上加一窄脈沖使其導(dǎo)通或關(guān)斷，它由無數(shù)單胞并聯(lián)而成。它與GTR，MOSFET， IGBT，GTO 等器件相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）電壓高、電流容量大，阻斷電壓已達(dá)3 000V，峰值電流達(dá)1 000 A，最大可關(guān)斷電流密度為6 000kA/ m2；

（2）通態(tài)壓降小、損耗小，通態(tài)壓降約為11V；

（3）極高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已達(dá) 20 kV/s ，di/dt為2 kA/s；

（4）開關(guān)速度快， 開關(guān)損耗小，開通時(shí)間約200ns，1 000 V 器件可在2 s 內(nèi)關(guān)斷；

2. IGCT（ Intergrated Gate Commutated Thyristors）

IGCT 是在晶閘管技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合 IGBT 和GTO 等技術(shù)開發(fā)的新型器件，適用于高壓大容量變頻系統(tǒng)中，是一種用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導(dǎo)體器件。

IGCT 是將GTO 芯片與反并聯(lián)二極管和門極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，再與其門極驅(qū)動(dòng)器在外圍以低電感方式連接，結(jié)合了晶體管的穩(wěn)定關(guān)斷能力和晶閘管低通態(tài)損耗的優(yōu)點(diǎn)。在導(dǎo)通階段發(fā)揮晶閘管的性能，關(guān)斷階段呈現(xiàn)晶體管的特性。IGCT 芯片在不串不并的情況下，二電平逆變器功率0.5~ 3 MW，三電平逆變器 1~ 6 MW；若反向二極管分離，不與IGCT 集成在一起，二電平逆變器功率可擴(kuò)至4 /5 MW，三電平擴(kuò)至 9 MW。

目前，IGCT 已經(jīng)商品化， ABB 公司制造的 IGCT 產(chǎn)品的最高性能參數(shù)為4［1］ 5 kV / 4 kA ，最高研制水平為6 kV/ 4 kA。1998 年，日本三菱公司也開發(fā)了直徑為88 mm 的GCT 的晶閘管IGCT 損耗低、 開關(guān)快速等優(yōu)點(diǎn)保證了它能可靠、高效率地用于300 kW~ 10 MW 變流器，而不需要串聯(lián)和并聯(lián)。

3. IEGT（ InjecTIon Enhanced Gate Transistor） 電子注入增強(qiáng)柵晶體管

IEGT 是耐壓達(dá) 4 kV 以上的 IGBT 系列電力電子器件，通過采取增強(qiáng)注入的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了低通態(tài)電壓，使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發(fā)展。IEGT 具有作為MOS 系列電力電子器件的潛在發(fā)展前景，具有低損耗、高速動(dòng)作、高耐壓、有源柵驅(qū)動(dòng)智能化等特點(diǎn)，以及采用溝槽結(jié)構(gòu)和多芯片并聯(lián)而自均流的特性，使其在進(jìn)一步擴(kuò)大電流容量方面頗具潛力。另外，通過模塊封裝方式還可提供眾多派生產(chǎn)品，在大、中容量變換器應(yīng)用中被寄予厚望。日本東芝開發(fā)的 IECT 利用了電子注入增強(qiáng)效應(yīng)，使之兼有 IGBT 和 GTO 兩者的優(yōu)點(diǎn)： 低飽和壓降，安全工作區(qū)（吸收回路容量僅為 GTO 的十分之一左右） ，低柵極驅(qū)動(dòng)功率（比 GT O 低兩個(gè)數(shù)量級(jí)）和較高的工作頻率。器件采用平板壓接式電機(jī)引出結(jié)構(gòu)，可靠性高， 性能已經(jīng)達(dá)到4.5 kV/ 1 500A 的水平。

4. IPEM（ Intergrated Power Elactronics Mod ules） ：集成電力電子模塊

IPEM 是將電力電子裝置的諸多器件集成在一起的模塊。它首先是將半導(dǎo)體器件MOSFET， IGBT或MCT 與二極管的芯片封裝在一起組成一個(gè)積木單元，然后將這些積木單元迭裝到開孔的高電導(dǎo)率的絕緣陶瓷襯底上，在它的下面依次是銅基板、氧化鈹瓷片和散熱片。在積木單元的上部，則通過表面貼裝將控制電路、門極驅(qū)動(dòng)、電流和溫度傳感器以及保護(hù)電路集成在一個(gè)薄絕緣層上。IPEM 實(shí)現(xiàn)了電力電子技術(shù)的智能化和模塊化，大大降低了電路接線電感、系統(tǒng)噪聲和寄生振蕩，提高了系統(tǒng)效率及可靠性

5. PEBB（Power Electric Building Block） ：

典型的PEBB

電力電子積木PEBB （ Pow er Elect ric Building Block ） 是在IPEM 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的可處理電能集成的器件或模塊。PEBB 并不是一種特定的半導(dǎo)體器件，它是依照最優(yōu)的電路結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同器件和技術(shù)的集成。典型的PEBB 上圖所示。雖然它看起來很像功率半導(dǎo)體模塊，但PEBB 除了包括功率半導(dǎo)體器件外，還包括門極驅(qū)動(dòng)電路、電平轉(zhuǎn)換、傳感器、保護(hù)電路、電源和無源器件。PEBB 有能量接口和通訊接口。 通過這兩種接口，幾個(gè)PEBB 可以組成電力電子系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以像小型的DC- DC 轉(zhuǎn)換器一樣簡單，也可以像大型的分布式電力系統(tǒng)那樣復(fù)雜。一個(gè)系統(tǒng)中， PEBB的數(shù)量可以從一個(gè)到任意多個(gè)。多個(gè) PEBB 模塊一起工作可以完成電壓轉(zhuǎn)換、能量的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換、陰抗匹配等系統(tǒng)級(jí)功能，PEBB 最重要的特點(diǎn)就是其通用性。

6．超大功率晶閘管

晶閘管（SCR）自問世以來，其功率容量提高了近3000倍。現(xiàn)在許多國家已能穩(wěn)定生產(chǎn)8kV / 4kA的晶閘管。日本現(xiàn)在已投產(chǎn)8kV / 4kA和6kV / 6kA的光觸發(fā)晶閘管（LTT）。美國和歐洲主要生產(chǎn)電觸發(fā)晶閘管。近十幾年來，由于自關(guān)斷器件的飛速發(fā)展，晶閘管的應(yīng)用領(lǐng)域有所縮小，但是，由于它的高電壓、大電流特性，它在HVDC、靜止無功補(bǔ)償（SVC）、大功率直流電源及超大功率和高壓變頻調(diào)速應(yīng)用方面仍占有十分重要的地位。預(yù)計(jì)在今后若干年內(nèi)，晶閘管仍將在高電壓、大電流應(yīng)用場合得到繼續(xù)發(fā)展。

現(xiàn)在，許多生產(chǎn)商可提供額定開關(guān)功率36MVA （ 6kV/ 6kA ）用的高壓大電流GTO。傳統(tǒng)GTO的典型的關(guān)斷增量僅為3～5。GTO關(guān)斷期間的不均勻性引起的“擠流效應(yīng)”使其在關(guān)斷期間dv/dt必須限制在500～1kV/μs。為此，人們不得不使用體積大、昂貴的吸收電路。另外它的門極驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜和要求較大的驅(qū)動(dòng)功率。到目前為止， 在高壓（VBR 》 3.3kV ）、大功率（0.5～20 MVA）牽引、工業(yè)和電力逆變器中應(yīng)用得最為普遍的是門控功率半導(dǎo)體器件。目前，GTO的最高研究水平為6in、6kV / 6kA以及9kV/10kA。為了滿足電力系統(tǒng)對(duì)1GVA以上的三相逆變功率電壓源的需要，近期很有可能開發(fā)出10kA/12kV的GTO，并有可能解決30多個(gè)高壓GTO串聯(lián)的技術(shù)，可望使電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方面再上一個(gè)臺(tái)階。

7.脈沖功率閉合開關(guān)晶閘管

該器件特別適用于傳送極強(qiáng)的峰值功率（數(shù)MW）、極短的持續(xù)時(shí)間（數(shù)ns）的放電閉合開關(guān)應(yīng)用場合，如：激光器、高強(qiáng)度照明、放電點(diǎn)火、電磁發(fā)射器和雷達(dá)調(diào)制器等。該器件能在數(shù)kV的高壓下快速開通，不需要放電電極，具有很長的使用壽命，體積小、價(jià)格比較低，可望取代目前尚在應(yīng)用的高壓離子閘流管、引燃管、火花間隙開關(guān)或真空開關(guān)等。

該器件獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)是：門-陰極周界很長并形成高度交織的結(jié)構(gòu)，門極面積占芯片總面積的90%，而陰極面積僅占10%；基區(qū)空穴-電子壽命很長，門-陰極之間的水平距離小于一個(gè)擴(kuò)散長度。上述兩個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確保了該器件在開通瞬間，陰極面積能得到100%的應(yīng)用。此外，該器件的陰極電極采用較厚的金屬層，可承受瞬時(shí)峰值電流。

8.新型GTO器件-集成門極換流晶閘管

當(dāng)前已有兩種常規(guī)GTO的替代品：高功率的IGBT模塊、新型GTO派生器件-集成門極換流IGCT晶閘管。IGCT晶閘管是一種新型的大功率器件，與常規(guī)GTO晶閘管相比，它具有許多優(yōu)良的特性，例如，不用緩沖電路能實(shí)現(xiàn)可靠關(guān)斷、存貯時(shí)間短、開通能力強(qiáng)、關(guān)斷門極電荷少和應(yīng)用系統(tǒng)（包括所有器件和外圍部件如陽極電抗器和緩沖電容器等）總的功率損耗低等。

9．高功率溝槽柵結(jié)構(gòu)IGBT（Trench IGBT） 模塊

當(dāng)今高功率IGBT模塊中的IGBT元胞通常多采用溝槽柵結(jié)構(gòu)IGBT。與平面柵結(jié)構(gòu)相比，溝槽柵結(jié)構(gòu)通常采用1μm加工精度，從而大大提高了元胞密度。由于門極溝的存在，消除了平面柵結(jié)構(gòu)器件中存在的相鄰元胞之間形成的結(jié)型場效應(yīng)晶體管效應(yīng)，同時(shí)引入了一定的電子注入效應(yīng)，使得導(dǎo)通電阻下降。為增加長基區(qū)厚度、提高器件耐壓創(chuàng)造了條件。所以近幾年來出現(xiàn)的高耐壓大電流IGBT器件均采用這種結(jié)構(gòu)。

1996年日本三菱和日立公司分別研制成功3.3kV/1.2kA 巨大容量的IGBT模塊。它們與常規(guī)的GTO相比，開關(guān)時(shí)間縮短了20%，柵極驅(qū)動(dòng)功率僅為GTO的1/1000。1997年富士電機(jī)研制成功1kA/2.5kV平板型IGBT，由于集電、發(fā)射結(jié)采用了與GTO類似的平板壓接結(jié)構(gòu)，采用更高效的芯片兩端散熱方式。特別有意義的是，避免了大電流IGBT模塊內(nèi)部大量的電極引出線，提高了可靠性和減小了引線電感，缺點(diǎn)是芯片面積利用率下降。所以這種平板壓接結(jié)構(gòu)的高壓大電流IGBT模塊也可望成為高功率高電壓變流器的優(yōu)選功率器件。

10.電子注入增強(qiáng)柵晶體管IEGT（InjecTIon Enhanced Gate Trangistor）

近年來，日本東芝公司開發(fā)了IEGT，與IGBT一樣，它也分平面柵和溝槽柵兩種結(jié)構(gòu)，前者的產(chǎn)品即將問世，后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO兩者的某些優(yōu)點(diǎn)：低的飽和壓降，寬的安全工作區(qū)（吸收回路容量僅為GTO的1/10左右），低的柵極驅(qū)動(dòng)功率（比GTO低2個(gè)數(shù)量級(jí)）和較高的工作頻率。加之該器件采用了平板壓接式電極引出結(jié)構(gòu)，可望有較高的可靠性。

與IGBT相比，IEGT結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是柵極長度Lg較長，N長基區(qū)近柵極側(cè)的橫向電阻值較高，因此從集電極注入N長基區(qū)的空穴，不像在IGBT中那樣，順利地橫向通過P區(qū)流入發(fā)射極，而是在該區(qū)域形成一層空穴積累層。為了保持該區(qū)域的電中性，發(fā)射極必須通過N溝道向N長基區(qū)注入大量的電子。這樣就使N長基區(qū)發(fā)射極側(cè)也形成了高濃度載流子積累，在N長基區(qū)中形成與GTO中類似的載流子分布，從而較好地解決了大電流、高耐壓的矛盾。目前該器件已達(dá)到4.5kV /1kA的水平。

11.MOS門控晶閘管

MOS門極控制晶閘管充分地利用晶閘管良好的通態(tài)特性、優(yōu)良的開通和關(guān)斷特性，可望具有優(yōu)良的自關(guān)斷動(dòng)態(tài)特性、非常低的通態(tài)電壓降和耐高壓，成為將來在電力裝置和電力系統(tǒng)中有發(fā)展前途的高壓大功率器件。目前世界上有十幾家公司在積極開展對(duì)MCT的研究。 MOS門控晶閘管主要有三種結(jié)構(gòu)：MOS場控晶閘管（MCT）、基極電阻控制晶閘管（BRT）及射極開關(guān)晶閘管（EST）。其中EST可能是 MOS門控晶閘管中最有希望的一種結(jié)構(gòu)。但是，這種器件要真正成為商業(yè)化的實(shí)用器件，達(dá)到取代GTO的水平，還需要相當(dāng)長的一段時(shí)間。

12.砷化鎵二極管

隨著變換器開關(guān)頻率的不斷提高，對(duì)快恢復(fù)二極管的要求也隨之提高。眾所周知，具有比硅二極管優(yōu)越的高頻開關(guān)特性，但是由于工藝技術(shù)等方面的原因，砷化鎵二極管的耐壓較低，實(shí)際應(yīng)用受到局限。為適應(yīng)高壓、高速、高效率和低EMI應(yīng)用需要，高壓砷化鎵高頻整流二極管已在Motorola 公司研制成功。與硅快恢復(fù)二極管相比，這種新型二極管的顯著特點(diǎn)是：反向漏電流隨溫度變化小、開關(guān)損耗低、反向恢復(fù)特性好。

13.碳化硅與碳化硅 （ SiC ） 功率器件

在用新型半導(dǎo)體材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅 （ SiC ） 功率器件。它的性能指標(biāo)比砷化鎵器件還要高一個(gè)數(shù)量級(jí)，碳化硅與其他半導(dǎo)體材料相比，具有下列優(yōu)異的物理特點(diǎn)： 高的禁帶寬度，高的飽和電子漂移速度，高的擊穿強(qiáng)度，低的介電常數(shù)和高的熱導(dǎo)率。上述這些優(yōu)異的物理特性，決定了碳化硅在高溫、高頻率、高功率的應(yīng)用場合是極為理想的半導(dǎo)體材料。在同樣的耐壓和電流條件下，SiC器件的漂移區(qū)電阻要比硅低200倍，即使高耐壓的 SiC場效應(yīng)管的導(dǎo)通壓降，也比單極型、雙極型硅器件的低得多。而且，SiC器件的開關(guān)時(shí)間可達(dá)10nS量級(jí)，并具有十分優(yōu)越的 FBSOA。

SiC可以用來制造射頻和微波功率器件，各種高頻整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。SiC高頻功率器件已在Motorola公司研發(fā)成功，并應(yīng)用于微波和射頻裝置。GE公司正在開發(fā)SiC功率器件和高溫器件（包括用于噴氣式引擎的傳感器）。西屋公司已經(jīng)制造出了在26GHz頻率下工作的甚高頻的MESFET。ABB公司正在研制高功率、高電壓的SiC整流器和其他SiC低頻功率器件，用于工業(yè)和電力系統(tǒng)。

防爆型變頻器應(yīng)該如何設(shè)計(jì)？

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)日益成熟，通用變頻器得到了迅速發(fā)展，各種品牌的變頻器在自控領(lǐng)域的各行各業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。但在一些有爆炸性氣體和粉塵比較多的地方（煤礦焦化廠部分化工廠）變頻器還沒有得到充分的應(yīng)用，究其原因主要是這些地方的變頻器需要防爆，而這種變頻器現(xiàn)在市場上還未見成熟產(chǎn)品。根據(jù)上述情況，我們山東風(fēng)光電子有限公司與大屯煤電（集團(tuán)）有限公司聯(lián)合開發(fā)研制成功了礦用防爆變頻器，該產(chǎn)品已經(jīng)過有關(guān)部門鑒定，現(xiàn)已在大屯煤礦正式投產(chǎn)使用。

二、變頻器的技術(shù)要求

1、工作環(huán)境 有爆炸性氣體或粉塵較多的環(huán)境 （防爆）；

2、輸入電壓 交流660V±10% ；

3、調(diào)速范圍 2—50HZ ；

4、保護(hù)功能 具有短路、過流、過壓、欠壓、超溫、停電閉鎖等功能；

5、工作方式 24小時(shí)連續(xù)工作制；

6、其他技術(shù)指標(biāo)與通用變頻器相同。

三、變頻器的控制原理

1、主回路部分

變頻器主回路包括空氣斷路器、三相整流器、濾波電容、IGBT逆變器

圖1： 主回路電氣原理框圖

2、控制回路部分

變頻器控制部分包括CPU控制器、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測電路、電壓檢測電路、保護(hù)電路、操作顯示電路。其控制原理框圖如下：

圖2： 控制原理框圖

3、變頻器所用主要元件都是選用世界知名公司生產(chǎn)的名牌產(chǎn)品，性能優(yōu)良，質(zhì)量可靠。

（1） 逆變器部分選用德國西門子公司的IGBT模塊，該模塊飽和壓將低，母線電感小，開關(guān)頻率高，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。

（2） CPU控制器選用美國Intel公司的87C196MC單片機(jī)，該芯片功能齊全，運(yùn)算速度快，是一種高性能的CHMOS 16位單片機(jī)，它功耗小，除正常工作外還可以工作于2種節(jié)電方式：待機(jī)方式和掉電方式。它內(nèi)部有一個(gè)波形發(fā)生器，可以輸出2組互補(bǔ)的3相PWM信號(hào)，特別使用于電機(jī)控制系統(tǒng)。

（3） 驅(qū)動(dòng)電路采用日本三菱公司的M57959L專用驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊驅(qū)動(dòng)功率大，信號(hào)隔離強(qiáng)，集成化程度高，性能優(yōu)良，使用方便。

四、防爆變頻器研制中的問題和對(duì)策

1、防爆問題

由于該變頻器所使用的環(huán)境有爆炸性氣體或粉塵較多，這就要求變頻器密封防爆，所以它的外殼不能用普通的殼體，必需用標(biāo)準(zhǔn)的防爆腔，把變頻器所有的元件都裝在防爆腔內(nèi)。在防爆腔門上開一個(gè)觀察窗，把顯示部分裝在上面，把啟動(dòng)、停止、調(diào)速控制裝在防爆腔門上。

2、散熱問題

由于變頻器的所有元件都裝在防爆腔內(nèi)，空氣不能流動(dòng)，散熱問題成為該變頻器所要解決的關(guān)鍵問題。在這里我們采用了一種新的散熱技術(shù)-熱管散熱技術(shù)。

（1）熱管技術(shù)原理

熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，它通過在全封閉真空管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)。由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小等優(yōu)點(diǎn)。

（2）變頻器結(jié)構(gòu)布置

我們將主回路設(shè)計(jì)成一個(gè)大單元，安裝在長方形防爆腔內(nèi)后壁，后壁上通過一個(gè)過度散熱器與IGBT模塊、整流模塊等發(fā)熱元件接合，防爆外殼外壁加焊槽形散熱器，過度散熱器與槽形散熱器通過熱管相連接。變頻器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量就通過防爆腔后壁 過度散熱器 熱管 槽形散熱器散發(fā)出去。

3、主回路結(jié)構(gòu)與通用變頻器的不同

（1）沒有延時(shí)回路

避免因延時(shí)繼電器動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生電火花造成的不安全因素，增加了變頻器的安全可靠性。

（2）整流器容量選擇比通用變頻器增大一倍

目的是為了耐受住變頻器開機(jī)瞬間電容充電電流的沖擊。

（3）濾波電容選用多只無感電容并聯(lián)

電解電容體積大，高溫環(huán)境下易爆炸，不安全；而無感電容體積小，耐高溫、高壓，在這種環(huán)境下應(yīng)用非常安全。

五、結(jié)束語

防爆變頻器研制成功，填補(bǔ)了變頻器應(yīng)用行業(yè)的一項(xiàng)空白。當(dāng)然，我們還將在結(jié)構(gòu)、工藝、功能等方面進(jìn)一步完善，把防爆變頻器做的更完美，更可靠，更齊全。相信不遠(yuǎn)的將來防爆變頻器在自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)會(huì)有一個(gè)燦爛的天空