常用的功率元器件有哪些？

風力元器件（Power Electronic Device），又稱為功率半半導體器件，用來電能變幻和電能遏制通路中的大功率（常常指交流電為數(shù)十至數(shù)千安，電壓為數(shù)百伏之上）元器件。不妨分為半控型器件、全控型器件和不行控型器件，個中晶閘管為半控型器件，接受電壓和交流電含量在一切器件中最高；風力二極管為不行控器件，構造和道理大略，處事真實；還不妨分為電壓啟動型器件和交流電啟動型器件，個中GTO、GTR為交流電啟動型器件，IGBT、風力MOSFET為電壓啟動型器件。

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

MCT的等效通路圖

MCT 是一種新式MOS 與雙極復合型器件。如上海圖書館所示。MCT是將 MOSFET 的高阻抗、低啟動圖 MCT 的功率、快電門速率的個性與晶閘管的高壓、大交流電特型貫串在一道，產生大功率、高壓、趕快全控型器件。本質上MCT 是一個MOS 門極遏制的晶閘管。它可在門極上加一窄脈沖使其導通或關斷，它由多數(shù)單胞串聯(lián)而成。它與GTR，MOSFET， IGBT，GTO 等器件比擬，猶如下便宜：

（1）電壓高、交流電含量大，阻斷電壓已達3 000V，峰值交流電達1 000 A，最大可關斷交流電密度為6 000kA/ m2；

（2）通態(tài)壓降小、耗費小，通態(tài)壓降約為11V；

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

（4）電門速率快， 電門耗費小，開明功夫約200ns，1 000 V 器件可在2 s 內關斷；

2. IGCT（ Intergrated Gate Commutated Thyristors）

IGCT 是在晶閘管本領的普通上貫串 IGBT 和GTO 等本領開拓的新式器件，實用于高壓大容質變頻體例中，是一種用來巨型風力電子成套安裝中的新式風力半半導體器件。

IGCT 是將GTO 芯片與反串聯(lián)二極管和門極啟動通路集成在一道，再與其門極啟動器在外層以低電子感應辦法貫穿，貫串了晶體管的寧靜關斷本領和晶閘管低通態(tài)耗費的便宜。在導通階段表現(xiàn)晶閘管的本能，關斷階段表露晶體管的個性。IGCT 芯片在不串不并的情景下，二電平逆變器功率0.5~ 3 MW，三電平逆變器 1~ 6 MW；若反向二極管辨別，不與IGCT 集成在一道，二電平逆變器功率可擴至4 /5 MW，三電平擴至 9 MW。

暫時，IGCT 已營商品化， ABB 公司創(chuàng)造的 IGCT 產物的最高本能參數(shù)為4［1］ 5 kV / 4 kA ，最高研制程度為6 kV/ 4 kA。1998 年，阿曼三菱公司也開拓了直徑為88 mm 的GCT 的晶閘管IGCT 耗費低、 電門趕快等便宜保護了它能真實、高功效地用來300 kW~ 10 MW 變流器，而不須要串聯(lián)和串聯(lián)。

3. IEGT（ InjecTIon Enhanced Gate Transistor） 電子注入鞏固柵晶體管

IEGT 是耐壓達 4 kV 之上的 IGBT 系列風力元器件，經過采用鞏固注入的構造實行了低通態(tài)電壓，使大含量風力元器件博得了奔騰性的興盛。IEGT 具備動作MOS 系列風力元器件的潛伏興盛遠景，具備低耗費、高速舉措、高耐壓、有源柵啟動智能化等特性，以及沿用溝槽構造和多芯片串聯(lián)而自均流的個性，使其在進一步夸大交流電含量上面頗具后勁。其余，經過模塊封裝辦法還可供給稠密派消費品，在大、中含量變幻器運用中被寄于奢望。阿曼東芝開拓的 IECT 運用了電子注入鞏固效力，使之兼有 IGBT 和 GTO 兩者的便宜： 低飽和壓降，安定處事區(qū)（接收回路含量僅為 GTO 的格外之一安排） ，低電極啟動功率（比 GT O 低兩個數(shù)目級）和較高的處事頻次。器件沿用枯燥壓接式電機引出構造，真實性高， 本能仍舊到達4.5 kV/ 1 500A 的程度。

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

IPEM 是將風力電子安裝的諸多器件集成在一道的模塊。它開始是將半半導體器件MOSFET， IGBT或MCT 與二極管的芯片封裝在一道構成一個積木單位，而后將那些積木單位迭裝到開孔的高電導率的絕緣陶瓷襯底上，在它的底下順序是銅基板、氧化鈹瓷片和散熱片。在積木單位的上部，則經過外表貼裝將遏制通路、門極啟動、交流電和溫度傳感器以及養(yǎng)護通路集成在一個薄涂層上。IPEM 實行了風力電子本領的智能化和模塊化，大大貶低了通路接報電子感應、體例噪聲和寄生振動，普及了體例功效及真實性

5. PEBB（Power Electric Building Block） ：

典范的PEBB

風力電子積木PEBB （ Pow er Elect ric Building Block ） 是在IPEM 的普通上興盛起來的可處置電能集成的器件或模塊。PEBB 并不是一種一定的半半導體器件，它是按照最優(yōu)的通路構造和體例構造安排的各別器件和本領的集成。典范的PEBB 上海圖書館所示。固然它看上去很像功率半半導體模塊，但PEBB 除去囊括功率半半導體器件外，還囊括門極啟動通路、電平變換、傳感器、養(yǎng)護通路、電源和無源器件。PEBB 有能量接口和通信接口。 經過這兩種接口，幾個PEBB 不妨構成風力電子體例。那些體例不妨像袖珍的DC- DC 變換器一律大略，也不妨像巨型的散布式風力體例那么攙雜。一個體例中， PEBB的數(shù)目不妨從一個到大肆多個。多個 PEBB 模塊一道處事不妨實行電壓變換、能量的積聚和變換、陰抗配合等體例級功效，PEBB 最要害的特性即是其通用性。

6．超大功率晶閘管

晶閘管（SCR）自問世此后，其功率含量普及了近3000倍。此刻很多國度已能寧靜消費8kV / 4kA的晶閘管。阿曼此刻已投入生產8kV / 4kA和6kV / 6kA的光觸發(fā)晶閘管（LTT）。美利堅合眾國和歐洲重要消費電觸發(fā)晶閘管。近十幾年來，因為自關斷器件的飛快興盛，晶閘管的運用范圍有所減少，然而，因為它的高電壓、大交流電個性，它在HVDC、停止無功積累（SVC）、大功直爽流電源及超大功率和高壓變頻調價運用上面仍占領格外要害的位置。估計在此后幾何年內，晶閘管仍將在高電壓、大交流電運用場所獲得連接興盛。

此刻，很多消費商可供給額定電門功率36MVA （ 6kV/ 6kA ）用的高壓大交流電GTO。保守GTO的典范的關斷增量僅為3～5。GTO關斷功夫的不平均性惹起的“擠流效力”使其在關斷功夫dv/dt必需控制在500～1kV/μs。為此，人們不得不運用體積大、高貴的接收通路。其余它的門極啟動通路較攙雜和訴求較大的啟動功率。到暫時為止， 在高壓（VBR 》 3.3kV ）、大功率（0.5～20 MVA）牽引、產業(yè)和風力逆變器中運用得最為一致的是門控功率半半導體器件。暫時，GTO的最高接洽程度為6in、6kV / 6kA以及9kV/10kA。為了滿意風力體例對1GVA之上的三相逆變功率電壓源的須要，近期很有大概開拓出10kA/12kV的GTO，并有大概處置30多個高壓GTO串聯(lián)的本領，可望使風力電子本領在風力體例中的運用上面再上一個踏步。

7.脈沖功率緊閉電門晶閘管

該器件更加實用于傳遞極強的峰值功率（數(shù)MW）、極短的連接功夫（數(shù)ns）的尖端放電緊閉電門運用場所，如：萊塞、高強度照明、尖端放電焚燒、電磁放射器和雷達調制器等。該器件能在數(shù)kV的高壓下趕快開明，不須要尖端放電電極，具備很長的運用壽命，體積小、價錢比擬低，可望代替暫時尚在運用的高壓離子閘流管、引燃管、火花間歇電門或真空電門等。

該器件特殊的構造和工藝特性是：門-負極周界很長并產生莫大交叉的構造，門極表面積占芯片總表面積的90%，而負極表面積僅占10%；基區(qū)空穴-電子壽命很長，門-負極之間的程度隔絕小于一個分散長度。上述兩個構造特性保證了該器件在開明剎時，負極表面積能獲得100%的運用。其余，該器件的負極電極沿用較厚的非金屬層，可接受剎時峰值交流電。

8.新式GTO器件-集成門極換流晶閘管

暫時已有兩種慣例GTO的代替品：高功率的IGBT模塊、新式GTO派生器件-集成門極換流IGCT晶閘管。IGCT晶閘管是一種新式的大功率器件，與慣例GTO晶閘管比擬，它具備很多崇高的個性，比方，不必緩沖通路能實行真實關斷、存貯功夫短、開明本領強、關斷門極電荷少和運用體例（囊括一切器件和外層元件如陽極內阻器平靜沖庫容器等）總的功率耗費低等。

9．高功率溝槽柵構造IGBT（Trench IGBT） 模塊

現(xiàn)在高功率IGBT模塊中的IGBT元胞常常多沿用溝槽柵構造IGBT。與平面柵構造比擬，溝槽柵構造常常沿用1μm加工精度，進而大大普及了元胞密度。因為門極溝的生存，取消了平面柵構造器件中生存的相鄰元胞之間產生的結型場效力晶體管效力，同聲引入了確定的電子注入效力，使得導回電阻低沉。為減少長基區(qū)厚薄、普及器件耐壓創(chuàng)作了前提。以是近幾年來展示的高耐壓大交流電IGBT器件均沿用這種構造。

1996年阿曼三菱和日立公司辨別研制勝利3.3kV/1.2kA 宏大含量的IGBT模塊。它們與慣例的GTO比擬，電門功夫減少了20%，電極啟動功率僅為GTO的1/1000。1997年富士電機研制勝利1kA/2.5kV枯燥型IGBT，因為集電、放射結沿用了與GTO一致的枯燥壓接構造，沿用更高效的芯片兩頭散熱辦法。更加有意旨的是，制止了大交流電IGBT模塊里面洪量的電極引出線，普及了真實性和減小了引線電子感應，缺陷是芯部分積運用率低沉。以是這種枯燥壓接構造的高壓大交流電IGBT模塊也可望變成高功率高電壓變流器的預選功率器件。

10.電子注入鞏固柵晶體管IEGT（InjecTIon Enhanced Gate Trangistor）

連年來，阿曼東芝公司開拓了IEGT，與IGBT一律，它也分平面柵和溝槽柵兩種構造，前者的產物行將問世，后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO兩者的某些便宜：低的飽和壓降，寬的安定處事區(qū)（接收回路含量僅為GTO的1/10安排），低的電極啟動功率（比GTO低2個數(shù)目級）和較高的處事頻次。加之該器件沿用了枯燥壓接式電極引出構造，可望有較高的真實性。

與IGBT比擬，IEGT構造的重要特性是電極長度Lg較長，N長基區(qū)近電極側的橫向電阻值較高，所以從集電極注入N長基區(qū)的空穴，不像在IGBT中那么，成功地橫向經過P區(qū)流入放射極，而是在該地區(qū)產生一層空穴積聚層。為了維持該地區(qū)的電中性，放射極必需經過N溝道向N長基區(qū)注入洪量的電子。如許就使N長基區(qū)放射極側也產生了高濃淡載流子積聚，在N長基區(qū)中產生與GTO中一致的載流子散布，進而較好地處置了大交流電、高耐壓的沖突。暫時該器件已到達4.5kV /1kA的程度。

11.MOS門控晶閘管

MOS門極遏制晶閘管充溢地運用晶閘管杰出的通態(tài)個性、崇高的開明和關斷個性，可望具備崇高的自關斷動靜個性、特殊低的通態(tài)電壓降和耐高壓，變成未來在風力安裝和風力體例中有興盛出息的高壓大功率器件。暫時寰球上有十幾家公司在主動發(fā)展對MCT的接洽。 MOS門控晶閘管重要有三種構造：MOS場控晶閘管（MCT）、基極電阻遏制晶閘管（BRT）及射極電門晶閘管（EST）。個中EST大概是 MOS門控晶閘管中最有蓄意的一種構造。然而，這種器件要真實變成貿易化的適用器件，到達代替GTO的程度，還須要十分長的一段功夫。

12.砷化鎵二極管

跟著變幻器電門頻次的連接普及，對快回復二極管的訴求也隨之普及。婦孺皆知，具備比硅二極管出色的高頻電門個性，然而因為工藝本領等上面的因為，砷化鎵二極管的耐壓較低，本質運用遭到控制。為符合高壓、高速、高功效和低EMI運用須要，高壓砷化鎵高頻整組二極管已在Motorola 公司研制勝利。與硅快回復二極管比擬，這種新式二極管的明顯特性是：反向泄電流隨溫度變革小、電門耗費低、反向回復個性好。

13.碳化硅與碳化硅 （ SiC ） 功率器件

在用新式半半導體資料制成的功率器件中，最有蓄意的是碳化硅 （ SiC ） 功率器件。它的本能目標比砷化鎵器件還要高級中學一年級個數(shù)目級，碳化硅與其余半半導體資料比擬，具備下列崇高的物理特性： 高的禁帶寬窄，高的飽和電子漂移速率，高的擊穿強度，低的介電常數(shù)和高的熱導率。上述那些崇高的物理個性，確定了碳化硅在高溫、高頻次、高功率的運用場所是極為理念的半半導體資料。在同樣的耐壓和交流電前提下，SiC器件的漂移區(qū)電阻要比硅低200倍，縱然高耐壓的 SiC場效力管的導通壓降，也比單極型、雙極型硅器件的低得多。并且，SiC器件的電門功夫可達10nS量級，并具備格外出色的 FBSOA。

SiC不妨用來創(chuàng)造發(fā)射電波頻率和微波功率器件，百般高頻整組器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。SiC高頻功率器件已在Motorola公司研制勝利，并運用于微波和發(fā)射電波頻率安裝。GE公司正在開拓SiC功率器件和高溫器件（囊括用來噴氣式引擎的傳感器）。西屋公司仍舊創(chuàng)造出了在26GHz頻次下處事的甚高頻的MESFET。ABB公司正在研制高功率、高電壓的SiC整組器和其余SiC廣播段功率器件，用來產業(yè)和風力體例。

防止爆炸型變頻器該當怎樣安排？

跟著風力電子本領的連接興盛，變頻調價本領日益老練，通用變頻器獲得了趕快興盛，百般品牌的變頻器在自我控制范圍的各行各業(yè)都獲得了普遍的運用。但在少許有爆裂性氣體和粉塵比擬多的場合（煤礦\焦化廠\局部化工場）變頻器還沒有獲得充溢的運用，究其因為主假如那些場合的變頻器須要防止爆炸，而這種變頻器此刻商場上還未見老練產物。按照上述情景，咱們山春風光電子有限公司與大屯煤電（團體）有限公司共同開拓研制勝利了礦用防止爆炸變頻器，該產物已過程相關部分審定，現(xiàn)已在大屯煤礦正式投入生產運用。

二、變頻器的本領訴求

1、處事情況 有爆裂性氣體或粉塵較多的情況 （防止爆炸）；

2、輸出電壓 交談660V±10% ；

3、調價范疇 2—50HZ ；

4、養(yǎng)護功效 具備短路、過流、過壓、欠壓、超溫、停電閉鎖等功效；

5、處事辦法 24鐘點貫串處事制；

6、其余本領目標與通用變頻器溝通。

三、變頻器的遏制道理

1、主回路局部

變頻器主回路囊括氣氛斷路器、三相整組器、濾波庫容、IGBT逆變器

圖1： 主回路電氣道理框圖

2、遏制回路局部

變頻器遏制局部囊括CPU遏制器、IGBT啟動通路、交流電檢驗和測定通路、電壓檢驗和測定通路、養(yǎng)護通路、操縱表露通路。其遏制道理框圖如次：

圖2： 遏制道理框圖

3、變頻器所用重要元件都是采用寰球著名公司消費的名牌產物，本能崇高，品質真實。

（1） 逆變器局部采用德國西門子公司的IGBT模塊，該模塊飽和壓將低，母線電子感應小，電門頻次高，構造大略，安置簡單。

（2） CPU遏制器采用美利堅合眾國Intel公司的87C196MC單片機，該芯片功效完備，演算速率快，是一種高本能的CHMOS 16位單片機，它功耗小，除平常處事外還不妨處事于2種節(jié)約用電辦法：待機辦法和掉電辦法。它里面有一個波形爆發(fā)器，不妨輸入2組互補的3相PWM旗號，更加運用于電機遏制體例。

（3） 啟動通路沿用阿曼三菱公司的M57959L專用啟動模塊，該模塊啟動功率大，旗號分隔強，集成化水平高，本能崇高，運用簡單。

四、防止爆炸變頻器研制中的題目和對策

1、防止爆炸題目

因為該變頻器所運用的情況有爆裂性氣體或粉塵較多，這就訴求變頻器密封防止爆炸，以是它的外殼不許用普遍的殼體，必定用規(guī)范的防止爆炸腔，把變頻器一切的元件都裝在防止爆炸腔內。在防止爆炸腔門上開一個查看窗，把表露局部裝在上頭，把啟用、遏止、調價遏制裝在防止爆炸腔門上。

2、散熱題目

因為變頻器的一切元件都裝在防止爆炸腔內，氣氛不許震動，散熱題目變成該變頻器所要處置的要害題目。在這邊咱們沿用了一種新的散熱本領-熱管散熱本領。

（1）熱管本領道理

熱管是一種具備極高導熱本能的預熱元件，它經過在全封鎖真空中交通管理內工質的揮發(fā)與凍結來傳播熱量，具備極高的導熱性、杰出的等溫性、寒熱兩側的預熱表面積可大肆變換、可遠隔絕預熱、可遏制溫度等一系列便宜。由熱管構成的換熱器具備預熱功效高、構造緊湊、流體阻損小等便宜。

（2）變頻器構造安置

咱們將主回路安排成一個大單位，安置在矩形形防止爆炸腔內后壁，后壁上經過一個過渡散熱器與IGBT模塊、整組模塊等發(fā)燒元件結合，防止爆炸外殼外壁加焊槽形散熱器，過渡散熱器與槽形散熱器經過熱管相貫穿。變頻器里面爆發(fā)的熱量就經過防止爆炸腔后壁 過渡散熱器 熱管 槽形散熱器分散出去。

3、主回路構造與通用變頻器的各別

（1）沒有延時回路

制止因延時替續(xù)器舉措時爆發(fā)焊花形成的不安定成分，減少了變頻器的安定真實性。

（2）整組器含量采用比通用變頻器增大學一年級倍

手段是為了耐受住變頻器開機剎時庫容充氣交流電的報復。

（3）濾波庫容采用多只無感庫容串聯(lián)

電解庫容體積大，高溫情況下易爆裂，不安定；而無感庫容體積小，耐高溫、高壓，在這種情況下運用特殊安定。

五、中斷語

防止爆炸變頻器研制勝利，彌補了變頻器運用行業(yè)的一項空缺。固然，咱們還將在構造、工藝、功效等上面進一步完備，把防止爆炸變頻器做的更完備，更真實，更完備。斷定不遠的未來防止爆炸變頻器在機動化范圍內會有一個絢爛的天際

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