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功率器件的主要作用及应用领域    2022-09-21

        功率元件(power components)是装置中反映或检测某一设备、线路的电功率的器件或组件。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。可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件,其中晶闸管为半控型器件,承受电压和电流容量在所有器件中最高;电力二极管为不可控器件,结构和原理简单,工作可靠;还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件,其中GTO、GTR为电流驱动型器件,IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。

功率放大是利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。

1、不控器件

不能通过控制信号控制其通断的电力电子器件。典型器件如二极管,主要应用于低频整流电路。

2、半控器件

通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。典型器件如晶闸管,又称可控硅,广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电路中,应用场景多为低频。

3、全控器件

通过控制信号既可控制导通,又可控制其关断的电力电子器件。典型器件如GTO(门极可关断晶闸管)、GTR(电力晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极性晶体管),应用领域最广,广泛应用于工业、汽车、轨道牵引、家电等各个领域。

关于以上这几种全控器件,其中GTO是晶闸管的派生器件,主要应用在兆瓦级以上的大功率场合。

GTR属于电流控制功率器件,且电路符号和普通的三极管一致。20世纪80年代以来在中小功率范围内逐渐取代GTO。GTR特点鲜明,耐高压、大电流、饱和压降低是其主要优点,但是缺点也很明显,如驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏,驱动电流大直接决定其不适合高频领域的应用。

MOSFET与GTR最为显著的区别就是电场控制。其特性是输入阻抗大、驱动功率小、开关速度快、工作频率高,那MOS是不是完美弥补了GTR的缺陷?能不能完全替代GTR呢?答案当然是不能。MOS典型参数是导通阻抗,直观理解为耐压做的越大,芯片越厚,导通电阻越大,电流能力就会降低,因此不能兼顾高压和大电流就成了MOS的短板。

接下来就要特别讲讲IGBT了。IGBT是以双极型晶体管为主导元件,以MOS为驱动元件的达林顿结构。其特点是不仅损耗小、耐高压、电流密度大、通态电压低、安全工作区域宽、耐冲击,而且开关频率高、易并联、所需驱动功率小、驱动电路简单、输入阻抗大、热稳定性好。IGBT的应用领域正迅速扩大,逐步取代GTR、MOSFET的市场。

本文只能带领大家对功率器件有了初步的了解,希望对大家会有一定的帮助,同时需要不断总结,这样才能提高专业技能,也欢迎大家来讨论文章的一些知识点。