電力電子器件(Power Electronic Device),又稱為功率半導體器件,用于電能變換和電能控制電路中的大功率(通常指電流為數十至數千安,電壓為數百伏以上)電子器件。可以分為半控型器件、全控型器件和不可控型器件,其中晶閘管為半控型器件,承受電壓和電流容量在所有器件中最高;電力二極管為不可控器件,結構和原理簡單,工作可靠;還可以分為電壓驅動型器件和電流驅動型器件,其中GTO、GTR為電流驅動型器件,IGBT、電力MOSFET為電壓驅動型器件。
1. MCT (MOS Control led Thyristor):MOS控制晶閘管
MCT 是一種新型MOS 與雙極復合型器件。MCT是將 MOSFET 的高阻抗、低驅動圖 MCT 的功率、快開關速度的特性與晶閘管的高壓、大電流特型結合在一起,形成大功率、高壓、快速全控型器件。實質上MCT 是一個MOS 門極控制的晶閘管。它可在門極上加一窄脈沖使其導通或關斷,它由無數單胞并聯而成。它與GTR,MOSFET, IGBT,GTO 等器件相比,有如下優點:
電壓高、電流容量大,阻斷電壓已達3 000V,峰值電流達1 000 A,最大可關斷電流密度為6 000kA/ m2;
通態壓降小、損耗小,通態壓降約為11V;
極高的dv/dt和di/dt耐量,dv/dt已達 20 kV/s ,di/dt為2 kA/s;
開關速度快, 開關損耗小,開通時間約200ns,1 000 V 器件可在2 s 內關斷;
2. IGCT( Intergrated Gate Commutated Thyristors)
IGCT 是在晶閘管技術的基礎上結合 IGBT 和GTO 等技術開發的新型器件,適用于高壓大容量變頻系統中,是一種用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導體器件。
IGCT 是將GTO 芯片與反并聯二極管和門極驅動電路集成在一起,再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接,結合了晶體管的穩定關斷能力和晶閘管低通態損耗的優點。在導通階段發揮晶閘管的性能,關斷階段呈現晶體管的特性。IGCT 芯片在不串不并的情況下,二電平逆變器功率0.5~ 3 MW,三電平逆變器 1~ 6 MW;若反向二極管分離,不與IGCT 集成在一起,二電平逆變器功率可擴至4 /5 MW,三電平擴至 9 MW。
目前,IGCT 已經商品化, ABB 公司制造的 IGCT 產品的最高性能參數為4[1] 5 kV / 4 kA ,最高研制水平為6 kV/ 4 kA。1998 年,日本三菱公司也開發了直徑為88 mm 的GCT 的晶閘管IGCT 損耗低、 開關快速等優點保證了它能可靠、高效率地用于300 kW~ 10 MW 變流器,而不需要串聯和并聯。
3. IEGT( Injection Enhanced Gate Transistor) 電子注入增強柵晶體管
IGCT 是在晶閘管技術的基礎上結合 IGBT 和GTO 等技術開發的新型器件,適用于高壓大容量變頻系統中,是一種用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導體器件。
IGCT 是將GTO 芯片與反并聯二極管和門極驅動電路集成在一起,再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接,結合了晶體管的穩定關斷能力和晶閘管低通態損耗的優點。在導通階段發揮晶閘管的性能,關斷階段呈現晶體管的特性。IGCT 芯片在不串不并的情況下,二電平逆變器功率0.5~ 3 MW,三電平逆變器 1~ 6 MW;若反向二極管分離,不與IGCT 集成在一起,二電平逆變器功率可擴至4 /5 MW,三電平擴至 9 MW。
目前,IGCT 已經商品化, ABB 公司制造的 IGCT 產品的最高性能參數為4[1] 5 kV / 4 kA ,最高研制水平為6 kV/ 4 kA。1998 年,日本三菱公司也開發了直徑為88 mm 的GCT 的晶閘管IGCT 損耗低、 開關快速等優點保證了它能可靠、高效率地用于300 kW~ 10 MW 變流器,而不需要串聯和并聯。
4. IPEM( Intergrated Power Elactronics Mod ules) :集成電力電子模塊
IPEM 是將電力電子裝置的諸多器件集成在一起的模塊。它首先是將半導體器件MOSFET, IGBT或MCT 與二極管的芯片封裝在一起組成一個積木單元,然后將這些積木單元迭裝到開孔的高電導率的絕緣陶瓷襯底上,在它的下面依次是銅基板、氧化鈹瓷片和散熱片。在積木單元的上部,則通過表面貼裝將控制電路、門極驅動、電流和溫度傳感器以及保護電路集成在一個薄絕緣層上。IPEM 實現了電力電子技術的智能化和模塊化,大大降低了電路接線電感、系統噪聲和寄生振蕩,提高了系統效率及可靠性
5. PEBB(Power Electric Building Block)
電力電子積木PEBB ( Pow er Elect ric Building Block ) 是在IPEM 的基礎上發展起來的可處理電能集成的器件或模塊。PEBB 并不是一種特定的半導體器件,它是依照最優的電路結構和系統結構設計的不同器件和技術的集成。雖然它看起來很像功率半導體模塊,但PEBB 除了包括功率半導體器件外,還包括門極驅動電路、電平轉換、傳感器、保護電路、電源和無源器件。PEBB 有能量接口和通訊接口。 通過這兩種接口,幾個PEBB 可以組成電力電子系統。這些系統可以像小型的DC- DC 轉換器一樣簡單,也可以像大型的分布式電力系統那樣復雜。一個系統中, PEBB的數量可以從一個到任意多個。多個 PEBB 模塊一起工作可以完成電壓轉換、能量的儲存和轉換、陰抗匹配等系統級功能,PEBB 最重要的特點就是其通用性。
審核編輯黃昊宇
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