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【干貨】一文看懂常用功率半導(dǎo)體的分類

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電力電子技術(shù)的核心是電能的變換和控制,常見的有直流轉(zhuǎn)交流(逆變)、交流轉(zhuǎn)直流(整流)、變頻、變相等。在工程中拓展開來,變得五花八門,應(yīng)用領(lǐng)域非常之廣,但是,千變?nèi)f化離不開其核心——功率電子器件;


01 分類

功率電子器件的分類及用途:

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【補充】半導(dǎo)體材料的發(fā)展:

第一代:Si、Ge等元素半導(dǎo)體材料,促進計算機及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,未來在功率電子、射頻通信等領(lǐng)域非常有應(yīng)用前景。

02 應(yīng)用

功率電子器件的應(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、無觸點電子開關(guān)、逆變及變頻等電路中,應(yīng)用場景多為低頻;

  • 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、軌道牽引、家電等各個領(lǐng)域。

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  1. GTO:門極可關(guān)斷晶閘管

  2. GTR:電力晶體管

  3. IGBT:絕緣柵雙極性晶體管

  4. MOSFET:金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管

汽車領(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)用場景可以用下邊這張示意圖概括:

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03 IGBT

IGBT是個好東西!

下邊是來歷!

上邊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)用在兆瓦級以上的大功率場合,咱們較少涉及,先討論另外幾種。

GTR(電力晶體管):電路符號和普通的三極管一致,屬于電流控制功率器件,20世紀(jì)80年代以來在中小功率范圍內(nèi)逐漸取代GTO。GTR同學(xué)特點鮮明,耐高壓、大電流、飽和壓降低是其主要優(yōu)點;但是缺點也很明顯,驅(qū)動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞,驅(qū)動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)體場效應(yīng)晶體管):顧名思義,電場控制是他與GTR最明顯的區(qū)別,特性是輸入阻抗大,驅(qū)動功率小,開關(guān)速度快,工作頻率高,是不是完美彌補了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,電流能力就會降低,因此不能兼顧高壓和大電流就成了MOS同學(xué)的短板,但別忘了,這是GTR的長處呀!

于是,混血兒IGBT誕生了!

看他的簡化等效電路圖,是不是就明白什么了?

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那么定義就來了,IGBT是以雙極型晶體管為主導(dǎo)元件,以MOSFET為驅(qū)動元件的達林頓結(jié)構(gòu),是不是很巧妙!再看他的名字“絕緣柵場效應(yīng)晶體管”就很好記了。


IGBT特點:

  • 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)挘蜎_擊;

  • 開關(guān)頻率高,易并聯(lián),所需驅(qū)動功率小,驅(qū)動電路簡單,輸入阻抗大,熱穩(wěn)定性好等;

  • 應(yīng)用領(lǐng)域正迅速擴大,逐步取代GTR、MOSFET的市場。



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