常见电子元器件介绍
90页1、常见电子元器件介绍常见电子元器件介绍 第一部分:功率电子器件第一部分:功率电子器件 第一节:功率电子器件及其应用要求第一节:功率电子器件及其应用要求 功率电子器件大量被应用于电源、伺服驱动、变频器、电机保护器等功率电子设备。 这些设备都是自动化系统中必不可少的,因此,我们了解它们是必要的。 近年来,随着应用日益高速发展的需求,推动了功率电子器件的制造工艺的研究和 发展,功率电子器件有了飞跃性的进步。器件的类型朝多元化发展,性能也越来越改善。 大致来讲,功率器件的发展,体现在如下方面: 1器件能够快速恢复,以满足越来越高的速度需要。以开关电源为例,采用双极型 晶体管时,速度可以到几十千赫;使用 MOSFET 和 IGBT,可以到几百千赫;而采用 了谐振技术的开关电源,则可以达到兆赫以上。 2通态压降(正向压降)降低。这可以减少器件损耗,有利于提高速度,减小器件 体积。 3电流控制能力增大。电流能力的增大和速度的提高是一对矛盾,目前最大电流控 制能力,特别是在电力设备方面,还没有器件能完全替代可控硅。 4额定电压:耐压高。耐压和电流都是体现驱动能力的重要参数,特别对电力系统, 这显得非常重
2、要。 5温度与功耗。这是一个综合性的参数,它制约了电流能力、开关速度等能力的提 高。目前有两个方向解决这个问题,一是继续提高功率器件的品质,二是改进控 制技术来降低器件功耗,比如谐振式开关电源。 总体来讲,从耐压、电流能力看,可控硅目前仍然是最高的,在某些特定场合,仍 然要使用大电流、高耐压的可控硅。但一般的工业自动化场合,功率电子器件已越来越 多地使用 MOSFET 和 IGBT,特别是 IGBT 获得了更多的使用,开始全面取代可控硅来做为 新型的功率控制器件。 第二节:功率电子器件概览第二节:功率电子器件概览 一整流二极管: 二极管是功率电子系统中不可或缺的器件,用于整流、续流等。目前比较多地使用 如下三种选择: 1 高效快速恢复二极管。压降 0.8-1.2V,适合小功率,12V 左右电源。 2 高效超快速二极管。0.8-1.2V,适合小功率,12V 左右电源。 3 肖特基势垒整流二极管 SBD。0.4V,适合 5V 等低压电源。缺点是其电阻和耐压 的平方成正比,所以耐压低(200V 以下),反向漏电流较大,易热击穿。但速 度比较快,通态压降低。 目前 SBD 的研究前沿,已经超过
3、 1 万伏。 二大功率晶体管 GTR 分为: 单管形式。电流系数:10-30。 双管形式达林顿管。电流倍数: 100-1000。饱和压降大,速度慢。下图虚线部 分即是达林顿管。 1 图 1-1:达林顿管应用 实际比较常用的是达林顿模块,它把 GTR、续流二极管、辅助电路做到 一个模块内。 在较早期的功率电子设备中, 比较多地使用了这种器件。 图 1-2 是这种器件的内部典型结构。 图 1-2:达林顿模块电路典型结构 两个二极管左侧是加速二极管,右侧为续流二极管。加速二极管的原理是引进了电 流串联正反馈,达到加速的目的。 这种器件的制造水平是 1800V/800A/2KHz、600V/3A/100KHz 左右(参考)。 三可控硅 SCR 可控硅在大电流、高耐压场合还是必须的,但在常规工业控制的低压、中小电流控 制中,已逐步被新型器件取代。 目前的研制水平在 12KV/8000A 左右(参考)。 由于可控硅换流电路复杂, 逐步开发了门极关断晶闸管 GTO。 制造水平达到 8KV/8KA, 频率为 1KHz 左右。 无论是 SCR 还是 GTO,控制电路都过于复杂,特别是需要庞大的吸收电路。
4、而且, 速度低,因此限制了它的应用范围拓宽。 集成门极换流晶闸管 IGCT 和 MOS 关断晶闸管之类的器件在控制门极前使用了 MOS 栅,从而达到硬关断能力。 四功率 MOSFET 又叫功率场效应管或者功率场控晶体管。 其特点是驱动功率小,速度高,安全工作区宽。但高压时,导通电阻与电压的平方 成正比,因而提高耐压和降低高压阻抗困难。 适合低压 100V 以下,是比较理想的器件。 目前的研制水平在 1000V/65A 左右(参考)。商业化的产品达到 60V/200A/2MHz、 500V/50A/100KHz。是目前速度最快的功率器件。 五IGBT 又叫绝缘栅双极型晶体管。 这种器件的特点是集 MOSFET 与 GTR 的优点于一身。输入阻抗高,速度快,热稳定性 好。通态电压低,耐压高,电流大。 目前这种器件的两个方向:一是朝大功率,二是朝高速度发展。大功率 IGBT 模块达 到 1200-1800A/1800-3300V 的水平(参考)。速度在中等电压区域(370-600V),可达 到 150-180KHz。 它的电流密度比 MOSFET 大,芯片面积只有 MOSFET 的 40%。
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