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左右电途中的大功率（大凡指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）电子器件。可能分为半控型器件、全控型器件和弗成控型器件，此中晶闸管为半控型器件，经受电压和电流容量正在全面器件中最高；电力二极管为弗成控器件，布局和道理简便，劳动牢靠；还可能分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，此中GTO、GTR为电流驱动型器件，IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。

　　MCT 是一种新型MOS 与双极复合型器件。如上图所示。MCT是将 MOSFET 的高阻抗、低驱动图 MCT 的功率、速开合速率的性子与晶闸管的高压、大电流特型贯串正在沿途，造成大功率、高压、迅疾全控型器件。本色上MCT 是一个MOS 门极左右的晶闸管。它可正在门极上加一窄脉冲使其导通或合断，它由众数单胞并联而成。它与GTR，MOSFET， IGBT，GTO 等器件比拟，有如下甜头：

　　（1）电压高、电流容量大，阻断电压已达3 000V，峰值电流达1 000 A，最大可合断电流密度为6 000kA/ m2；

　　（4）开合速率速， 开合损耗小，开通时分约200ns，1 000 V 器件可正在2 s 内合断；

　　IGCT 是正在晶闸监工夫的根基上贯串 IGBT 和GTO 等工夫开荒的新型器件，实用于高压大容量变频编制中，是一种用于巨型电力电子成套装配中的新型电力半导体器件。

　　IGCT 是将GTO 芯片与反并联二极管和门极驱动电途集成正在沿途，再与其门极驱动器正在外围以低电感式样连结，贯串了晶体管的安静合断才能和晶闸管低通态损耗的甜头。正在导通阶段外现晶闸管的职能，合断阶段显示晶体管的性子。IGCT 芯片正在不串不并的情形下，二电平逆变器功率0.5~ 3 MW，三电平逆变器 1~ 6 MW；若反向二极管诀别，不与IGCT 集成正在沿途，二电平逆变器功率可扩至4 /5 MW，三电平扩至 9 MW。

　　目前，IGCT 一经商品化， ABB 公司筑设的 IGCT 产物的最高职能参数为4［1］ 5 kV / 4 kA ，最高研制水准为6 kV/ 4 kA。1998 年，日本三菱公司也开荒了直径为88 mm 的GCT 的晶闸管IGCT 损耗低、 开合迅疾等甜头包管了它能牢靠、高效用地用于300 kW~ 10 MW 变流器，而不需求串联和并联。

　　IEGT 是耐压达 4 kV 以上的 IGBT 系列电力电子器件，通过选用加强注入的布局实行了低通态电压，使大容量电力电子器件获得了奔腾性的开展。IEGT 具有举动MOS 系列电力电子器件的潜正在开展前景，具有低损耗、高速举措、高耐压、有源栅驱动智能化等特色，以及采用沟槽布局和众芯片并联而自均流的性子，使其正在进一步扩展电流容量方面颇具潜力。别的，通过模块封装式样还可供应浩瀚派临盆品，正在大、中容量变换器使用中被寄予厚望。日本东芝开荒的 IECT 行使了电子注入加强效应，使之兼有 IGBT 和 GTO 两者的甜头： 低饱和压降，安宁劳动区（汲取回途容量仅为 GTO 的至极之一支配） ，低栅极驱动功率（比 GT O 低两个数目级）和较高的劳动频率。器件采用平板压接式电机引出布局，牢靠性高， 职能一经抵达4.5 kV/ 1 500A 的水准。

　　IPEM 是将电力电子装配的诸众器件集成正在沿途的模块。它起首是将半导体器件MOSFET， IGBT或MCT 与二极管的芯片封装正在沿途构成一个积木单位，然后将这些积木单位迭装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上，正在它的下面顺序是铜基板、氧化铍瓷片和散热片。正在积木单位的上部，则通过轮廓贴装将左右电途、门极驱动、电流和温度传感器以及扞卫电途集成正在一个薄绝缘层上。IPEM 实行了电力电子工夫的智能化和模块化，大大下降了电途接线电感、编制噪声和寄生振荡，抬高了编制效用及牢靠性

　　电力电子积木PEBB （ Pow er Elect ric Building Block ） 是正在IPEM 的根基上开展起来的可执掌电能集成的器件或模块。PEBB 并不是一种特定的半导体器件，它是遵循最优的电途布局和编制布局安排的差别器件和工夫的集成。榜样的PEBB 上图所示。固然它看起来很像功率半导体模块，但PEBB 除了包罗功率半导体器件外，还包罗门极驱动电途、电平转换、传感器、扞卫电途、电源和无源器件。PEBB 有能量接口和通信接口。 通过这两种接口，几个PEBB 可能构成电力电子编制。这些编制可能像小型的DC- DC 转换器相通简便，也可能像大型的漫衍式电力编制那样繁复。一个编制中， PEBB的数目可能从一个到自便众个。众个 PEBB 模块沿途劳动可能告竣电压转换、能量的储蓄和转换、阴抗般配等编制级效力，PEBB 最首要的特色即是其通用性。

　　晶闸管（SCR）自问世以还，其功率容量抬高了近3000倍。现正在很众邦度已能安静临盆8kV / 4kA的晶闸管。日本现正在已投产8kV / 4kA和6kV / 6kA的光触发晶闸管（LTT）。美邦和欧洲重要临盆电触发晶闸管。近十几年来，因为自合断器件的飞速开展，晶闸管的使用范围有所缩小，可是，因为它的高电压、大电流性子，它正在HVDC、静止无功补充（SVC）、大功坦率流电源及超大功率和高压变频调速使用方面仍占领至极首要的位置。估计正在往后若干年内，晶闸管仍将正在高电压、大电流使用局面获得一连开展。

　　现正在，很众临盆商可供应额定开合功率36MVA （ 6kV/ 6kA ）用的高压大电流GTO。守旧GTO的榜样的合断增量仅为3～5。GTO合断时间的不匀称性惹起的“挤流效应”使其正在合断时间dv/dt必需束缚正在500～1kV/μs。为此，人们不得不可使体积大、腾贵的汲取电途。别的它的门极驱动电途较繁复和请求较大的驱动功率。到目前为止， 正在高压（VBR 》 3.3kV ）、大功率（0.5～20 MVA）牵引、工业和电力逆变器中使用得最为广博的是门控功率半导体器件。目前，GTO的最高查究水准为6in、6kV / 6kA以及9kV/10kA。为了知足电力编制对1GVA以上的三相逆变功率电压源的需求，近期很有大概开荒出10kA/12kV的GTO，并有大概处理30众个高压GTO串联的工夫，可望使电力电子工夫正在电力编制中的使用方面再上一个台阶。

　　该器件迥殊实用于传送极强的峰值功率（数MW）、极短的赓续时分（数ns）的放电闭合开合使用局面，如：激光器、高强度照明、放电焚烧、电磁发射器和雷达调制器等。该器件能正在数kV的高压下迅疾开通，不需求放电电极，具有很长的行使寿命，体积小、代价比拟低，可望代替目前尚正在使用的高压离子闸流管、引燃管、火花间隙开合或真空开合等。

　　该器件奇特的布局和工艺特色是：门-阴极周界很长并造成高度交叉的布局，门极面积占芯片总面积的90%，而阴极面积仅占10%；基区空穴-电子寿命很长，门-阴极之间的水准间隔小于一个扩散长度。上述两个布局特色确保了该器件正在开通刹那，阴极面积能获得100%的使用。其余，该器件的阴极电极采用较厚的金属层，可经受瞬时峰值电流。

　　此刻已有两种通例GTO的代替品：高功率的IGBT模块、新型GTO派生器件-集成门极换流IGCT晶闸管。IGCT晶闸管是一种新型的大功率器件，与通例GTO晶闸管比拟，它具有很众优异的性子，比方，不必缓冲电途能实行牢靠合断、存贮时分短、开通才能强、合断门极电荷少和使用编制（包罗全面器件和外围部件如阳极电抗器温柔冲电容器等）总的功率损耗低等。

　　当今高功率IGBT模块中的IGBT元胞大凡众采用沟槽栅布局IGBT。与平面栅布局比拟，沟槽栅布局大凡采用1μm加工精度，从而大大抬高了元胞密度。因为门极沟的存正在，毁灭了平面栅布局器件中存正在的相邻元胞之间造成的结型场效应晶体管效应，同时引入了必定的电子注入效应，使得导通电阻低浸。为添加长基区厚度、抬高器件耐压创设了条目。是以近几年来崭露的高耐压大电流IGBT器件均采用这种布局。

　　1996年日本三菱和日立公司分离研制告成3.3kV/1.2kA 雄伟容量的IGBT模块。它们与通例的GTO比拟，开合时分缩短了20%，栅极驱动功率仅为GTO的1/1000。1997年富士电机研制告成1kA/2.5kV平板型IGBT，因为集电、发射结采用了与GTO形似的平板压接布局，采用更高效的芯片两头散热式样。迥殊成心义的是，避免了大电流IGBT模块内部洪量的电极引出线，抬高了牢靠性和减小了引线电感，谬误是芯局部积行使率低浸。是以这种平板压接布局的高压大电流IGBT模块也可望成为高功率高电压变流器的优选功率器件。

　　近年来，日本东芝公司开荒了IEGT，与IGBT相通，它也分平面栅和沟槽栅两种布局，前者的产物即将问世，后者尚正在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO两者的某些甜头：低的饱和压降，宽的安宁劳动区（汲取回途容量仅为GTO的1/10支配），低的栅极驱动功率（比GTO低2个数目级）和较高的劳动频率。加之该器件采用了平板压接式电极引出布局，可望有较高的牢靠性。

　　与IGBT比拟，IEGT布局的重要特色是栅极长度Lg较长，N长基区近栅极侧的横向电阻值较高，所以从集电极注入N长基区的空穴，不像正在IGBT中那样，顺遂地横向通过P区流入发射极，而是正在该区域造成一层空穴蕴蓄堆积层。为了坚持该区域的电中性，发射极必需通过N沟道向N长基区注入洪量的电子。如许就使N长基区发射极侧也造成了高浓度载流子蕴蓄堆积，正在N长基区中造成与GTO中形似的载流子漫衍，从而较好地处理了大电流、高耐压的抵触。目前该器件已抵达4.5kV /1kA的水准。

　　MOS门极左右晶闸管充实地行使晶闸管优秀的通态性子、优异的开通和合断性子，可望具有优异的自合断动态性子、卓殊低的通态电压降和耐高压，成为他日正在电力装配和电力编制中有开展前程的高压大功率器件。目前寰宇上有十几家公司正在踊跃发展对MCT的查究。 MOS门控晶闸管重要有三种布局：MOS场控晶闸管（MCT）、基极电阻左右晶闸管（BRT）及射极开合晶闸管（EST）。此中EST大概是 MOS门控晶闸管中最有心愿的一种布局。可是，这种器件要真正成为贸易化的适用器件，抵达代替GTO的水准，还需求相当长的一段时分。

　　跟着变换器开合频率的持续抬高，对速收复二极管的请求也随之抬高。家喻户晓，具有比硅二极管出色的高频开合性子，可是因为工艺工夫等方面的理由，砷化镓二极管的耐压较低，本质使用受到限定。为合适高压、高速、高效用和低EMI使用需求，高压砷化镓高频整流二极管已正在Motorola 公司研制告成。与硅速收复二极管比拟，这种新型二极管的明显特色是：反向走电流随温度转化小、开合损耗低、反向收复性子好。

　　正在用新型半导体资料制成的功率器件中，最有心愿的是碳化硅 （ SiC ） 功率器件。它的职能目标比砷化镓器件还要高一个数目级，碳化硅与其他半导体资料比拟，具有下列优异的物理特色： 高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速率，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率。上述这些优异的物理性子，肯定了碳化硅正在高温、高频率、高功率的使用局面是极为理念的半导体资料。正在同样的耐压和电流条目下，SiC器件的漂移区电阻要比硅低200倍，假使高耐压的 SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低得众。并且，SiC器件的开合时分可达10nS量级，并具有至极出色的 FBSOA。

　　SiC可能用来筑设射频和微波功率器件，各类高频整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。SiC高频功率器件已正在Motorola公司研发告成，并使用于微波和射频装配。GE公司正正在开荒SiC功率器件和高温器件（包罗用于喷气式引擎的传感器）。西屋公司一经筑设出了正在26GHz频率下劳动的甚高频的MESFET。ABB公司正正在研制高功率、高电压的SiC整流器和其他SiC低频功率器件，用于工业和电力编制。

　　跟着电力电子工夫的持续开展，变频调速工夫日益成熟，通用变频器获得了急迅开展，各类品牌的变频器正在自控范围的各行各业都获得了普通的使用。但正在少许有爆炸性气体和粉尘比拟众的地方（煤矿焦化厂一面裂工场）变频器还没有获得充实的使用，究其理由重要是这些地方的变频器需求防爆，而这种变频器现正在商场上还未睹成熟产物。依照上述情形，咱们山东景致电子有限公司与大屯煤电（集团）有限公司撮合开荒研制告成了矿用防爆变频器，该产物一经过相合部分判定，现已正在大屯煤矿正式投产行使。

　　变频器左右一面包罗CPU左右器、IGBT驱动电途、电流检测电途、电压检测电途、扞卫电途、操作显示电途。其左右道理框图如下：

　　3、变频器所用重要元件都是选用寰宇着名公司临盆的名牌产物，职能优异，质地牢靠。

　　（1） 逆变器一面选用德邦西门子公司的IGBT模块，该模块饱和压将低，母线电感小，开合频率高，布局简便，装置利便。

　　（2） CPU左右器选用美邦Intel公司的87C196MC单片机，该芯片效力完备，运算速率速，是一种高职能的CHMOS 16位单片机，它功耗小，除寻常劳动外还可能劳动于2种节电式样：待机式样和掉电式样。它内部有一个波形爆发器，可能输出2组互补的3相PWM信号，迥殊行使于电机左右编制。

　　（3） 驱动电途采用日本三菱公司的M57959L专用驱动模块，该模块驱动功率大，信号隔绝强，集成化水平高，职能优异，行使利便。

　　因为该变频器所行使的情况有爆炸性气体或粉尘较众，这就请求变频器密封防爆，是以它的外壳不行用大凡的壳体，必定用法式的防爆腔，把变频器全面的元件都装正在防爆腔内。正在防爆腔门上开一个侦察窗，把显示一面装正在上面，把启动、放弃、调速左右装正在防爆腔门上。

　　因为变频器的全面元件都装正在防爆腔内，气氛不行活动，散热题目成为该变频器所要处理的症结题目。正在这里咱们采用了一种新的散热工夫-热管散热工夫。

　　热管是一种具有极高导热职能的传热元件，它通过正在全紧闭真空管内工质的蒸发与凝聚来转达热量，具有极高的导热性、优秀的等温性、冷热两侧的传热面积可自便革新、可远间隔传热、可左右温度等一系列甜头。由热管构成的换热用具有传热效用高、布局紧凑、流体阻损小等甜头。

　　咱们将主回途安排成一个大单位，装置正在长方形防爆腔内后壁，后壁上通过一个过分散热器与IGBT模块、整流模块等发烧元件接合，防爆外壳外壁加焊槽形散热器，过分散热器与槽形散热器通过热管相连结。变频器内部形成的热量就通过防爆腔后壁 过分散热器 热管 槽形散热器散逸出去。

　　避免因延时继电器举措时形成电火花酿成的担心全身分，添加了变频器的安宁牢靠性。

　　电解电容体积大，高温情况下易爆炸，担心全；而无感电容体积小，耐高温、高压，正在这种情况下使用卓殊安宁。

　　防爆变频器研制告成，增加了变频器使用行业的一项空缺。当然，咱们还将正在布局、工艺、效力等方面进一步完美，把防爆变频器做的更完善，更牢靠，更完备。信托不远的他日防爆变频器正在主动化范围内会有一个富丽的天空

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