第一部分：功率電子器件
第一節(jié)：功率電子器件及其應(yīng)用要求
功率電子器件大量被應(yīng)用于電源、伺服驅(qū)動、變頻器、電機(jī)保護(hù)器等功率電子設(shè)備。 這些設(shè)備都是自動化系統(tǒng)中必不可少的，因此，我們了解它們是必要的。
近年來，隨著應(yīng)用日益高速發(fā)展的需求，推動了功率電子器件的制造工藝的研究和 發(fā)展，功率電子器件有了飛躍性的進(jìn)步。器件的類型朝多元化發(fā)展，性能也越來越改善。
大致來講，功率器件的發(fā)展，體現(xiàn)在如下方面：
1． 器件能夠快速恢復(fù)，以滿足越來越高的速度需要。以開關(guān)電源為例，采用雙極型
晶體管時(shí)，速度可以到幾十千赫；使用 MOSFET 和 IGBT，可以到幾百千赫；而采用 了諧振技術(shù)的開關(guān)電源，則可以達(dá)到兆赫以上。
2． 通態(tài)壓降（正向壓降）降低。這可以減少器件損耗，有利于提高速度，減小器件 體積。
3． 電流控制能力增大。電流能力的增大和速度的提高是一對矛盾，目前最大電流控 制能力，特別是在電力設(shè)備方面，還沒有器件能完全替代可控硅。
4． 額定電壓：耐壓高。耐壓和電流都是體現(xiàn)驅(qū)動能力的重要參數(shù)，特別對電力系統(tǒng)， 這顯得非常重要。
5． 溫度與功耗。這是一個(gè)綜合性的參數(shù)，它制約了電流能力、開關(guān)速度等能力的提 高。目前有兩個(gè)方向解決這個(gè)問題，一是繼續(xù)提高功率器件的品質(zhì)，二是改進(jìn)控 制技術(shù)來降低器件功耗，比如諧振式開關(guān)電源。
總體來講，從耐壓、電流能力看，可控硅目前仍然是最高的，在某些特定場合，仍 然要使用大電流、高耐壓的可控硅。但一般的工業(yè)自動化場合，功率電子器件已越來越 多地使用 MOSFET 和 IGBT，特別是 IGBT 獲得了更多的使用，開始全面取代可控硅來做為 新型的功率控制器件。
第二節(jié)：功率電子器件概覽
一． 整流二極管：
二極管是功率電子系統(tǒng)中不可或缺的器件，用于整流、續(xù)流等。目前比較多地使用 如下三種選擇：
1． 高效快速恢復(fù)二極管。壓降 0.8-1.2V，適合小功率，12V 左右電源。
2． 高效超快速二極管。0.8-1.2V，適合小功率，12V 左右電源。
3． 肖特基勢壘整流二極管SBD。0.4V，適合 5V等低壓電源。缺點(diǎn)是其電阻和耐壓
的平方成正比，所以耐壓低（200V以下），反向漏電流較大，易熱擊穿。但速度 比較快，通態(tài)壓降低。
目前 SBD 的研究前沿，已經(jīng)超過 1 萬伏。
二．大功率晶體管GTR
分為：
單管形式。電流系數(shù)：10-30。
雙管形式——達(dá)林頓管。電流倍數(shù)：
100-1000。飽和壓降大，速度慢。下圖虛線部 分即是達(dá)林頓管。
圖1-1：達(dá)林頓管應(yīng)用
實(shí)際比較常用的是達(dá)林頓模塊，它把 GTR、續(xù)流二極管、輔助電路做到
一個(gè)模塊內(nèi)。在較早期的功率電子設(shè)備中，比較多地使用了這種器件。圖 1-2 是這種器件的內(nèi)部典型結(jié)構(gòu)。
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圖1-2：達(dá)林頓模塊電路典型結(jié)構(gòu)
兩個(gè)二極管左側(cè)是加速二極管，右側(cè)為續(xù)流二極管。加速二極管的原理是引進(jìn)了電 流串聯(lián)正反饋，達(dá)到加速的目的。
這種器件的制造水平是 1800V/800A/2KHz、600V/3A/100KHz 左右（參考）。
三． 可控硅 SCR
可控硅在大電流、高耐壓場合還是必須的，但在常規(guī)工業(yè)控制的低壓、中小電流控 制中，已逐步被新型器件取代。
目前的研制水平在 12KV/8000A 左右（參考）。
由于可控硅換流電路復(fù)雜，逐步開發(fā)了門極關(guān)斷晶閘管GTO。制造水平達(dá)到 8KV/8KA，
頻率為 1KHz左右。
無論是 SCR 還是 GTO，控制電路都過于復(fù)雜，特別是需要龐大的吸收電路。而且，
速度低，因此限制了它的應(yīng)用范圍拓寬。
集成門極換流晶閘管IGCT和MOS關(guān)斷晶閘管之類的器件在控制門極前使用了MOS柵，
從而達(dá)到硬關(guān)斷能力。
四． 功率 MOSFET
又叫功率場效應(yīng)管或者功率場控晶體管。
其特點(diǎn)是驅(qū)動功率小，速度高，安全工作區(qū)寬。但高壓時(shí)，導(dǎo)通電阻與電壓的平方
成正比，因而提高耐壓和降低高壓阻抗困難。
適合低壓 100V 以下，是比較理想的器件。
目前的研制水平在 1000V/65A 左右（參考）。商業(yè)化的產(chǎn)品達(dá)到 60V/200A/2MHz、 500V/50A/100KHz。是目前速度最快的功率器件。
五． IGBT
又叫絕緣柵雙極型晶體管。
這種器件的特點(diǎn)是集 MOSFET 與 GTR 的優(yōu)點(diǎn)于一身。輸入阻抗高，速度快，熱穩(wěn)定性
好。通態(tài)電壓低，耐壓高，電流大。
目前這種器件的兩個(gè)方向：一是朝大功率，二是朝高速度發(fā)展。大功率 IGBT 模塊達(dá) 到 1200-1800A/1800-3300V 的水平（參考）。速度在中等電壓區(qū)域（370-600V），可達(dá) 到 150-180KHz。
它的電流密度比 MOSFET 大，芯片面積只有 MOSFET 的 40%。但速度比 MOSFET 低。
盡管電力電子器件發(fā)展過程遠(yuǎn)比我們現(xiàn)在描述的復(fù)雜，但是 MOSFET 和 IGBT，特別 是 IGBT 已經(jīng)成為現(xiàn)代功率電子器件的主流。因此，我們下面的重點(diǎn)也是這兩種器件。
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