功率半導(dǎo)體器件的分類(lèi)
電力電子技術(shù)的核心是電能的變換和控制,常見(jiàn)的有直流轉(zhuǎn)交流(逆變)、交流轉(zhuǎn)直流 (整流)、變頻、變相等。在工程中拓展開(kāi)來(lái)，變得五花八門(mén),應(yīng)用領(lǐng)域非常之廣。但是,千變?nèi)f化離不開(kāi)其核心一一功率電子器件。
1958年美國(guó)通用電氣( GE )公司研發(fā)出世界上第一個(gè)工業(yè)用普通晶閘管,標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生。從此半導(dǎo)體功率器件的研制及應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。
功率半導(dǎo)體器件分類(lèi)：半導(dǎo)體功率器件根據(jù)功能分,可以分為三類(lèi):可控、半控型、全控型。
半導(dǎo)體材料的發(fā)展:
第一代: Si、 Ge等元素半導(dǎo)體材料,促進(jìn)計(jì)算機(jī)及IT技術(shù)的發(fā)展，也是目前功率半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)材料;
第二代: GaAs、InP等化合物半導(dǎo)體材料,主要用于微波器件、射頻等光電子領(lǐng)域;
第三代: SiC、GaN等寬禁帶材料,未來(lái)在功率電子、射頻通信等領(lǐng)域非常有應(yīng)用前景。
功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用
不控器件:典型器件是電力二極管,主要應(yīng)用于低頻整流電路 ;
半控器件:典型器件是晶閘管,又稱可控硅,廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)、逆變及變頻等電路中,應(yīng)用場(chǎng)景多為低頻;
全控器件:應(yīng)用領(lǐng)域最廣,典型為GTO、GTR、 IGBT、 MOSFET ,廣泛應(yīng)用于工業(yè)、汽車(chē)、軌道牽引、家電等各個(gè)領(lǐng)域。
GTO :門(mén)極可關(guān)斷晶閘管
GTR :電力晶體管
IGBT :絕緣柵雙極性晶體管
MOSFET :金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管
汽車(chē)領(lǐng)域及大部分工業(yè)領(lǐng)域目前最常用的全控器件，全控器件的基本應(yīng)用場(chǎng)景可以用下面這張示意圖概括。
功率半導(dǎo)體器件分類(lèi)：上文介紹的幾種全控器件,其中GTO是晶閘管的派生器件,主要應(yīng)用在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合,我們較少涉及,先討論另外幾種。
GTR(電力晶體管) :電路符號(hào)和普通的三極管一致,屬于電流控制功率器件, 20世紀(jì)80年代以來(lái)在中小功率范圍內(nèi)逐漸取代GTO。
GTR特點(diǎn)鮮明,耐高壓、大電流、飽和壓降低是其主要優(yōu)點(diǎn);但是缺點(diǎn)也很明顯,驅(qū)動(dòng)電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞,驅(qū)動(dòng)電流大直接決定其不適合高頻領(lǐng)域的應(yīng)用。
MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管) : 顧名思義,電場(chǎng)控制是它與GTR最明顯的區(qū)別,特性是輸入阻抗大,驅(qū)動(dòng)功率小,開(kāi)關(guān)速度快,工作頻率高,是不是完美彌補(bǔ)了GTR的缺陷?
那MOS能不能完全替代GTR呢?答案是不能, MOSFET典型參數(shù)是導(dǎo)通阻抗，直觀理解,耐壓做的越大,芯片越厚,導(dǎo)通電阻越大,電流能力就會(huì)降低,因此不能兼顧高壓和大電流就成了MOS的短板,但別忘了,這是GTR的長(zhǎng)處呀!于是，IGBT誕生了。
IGBT是以雙極型晶體管為主導(dǎo)元件，以MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。再看名字“絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管”就很好記了。
IGBT特點(diǎn):損耗小，耐高壓,電流密度大,通態(tài)電壓低,安全工作區(qū)域?qū)?耐沖擊等。
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