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電力電子器件
閱讀�4766時間�2017-11-24 10:14:09

電力電子器件(Power Electronic Device)又稱為功率半導�器件,主要用�電力設備的電能變換和控制電路方面大功率的電子器件(通常指電流為�(shù)十至�(shù)千安,電壓為�(shù)百伏以上��

�(fā)�

  功率器件幾乎用于所有的電子制造業(yè),包括計算機領域的筆記�、PC、服務器、顯示器以及各種外設;網絡通信領域的手�、電話以及其它各種終端和局端設�;消費電子領域的傳�(tǒng)黑白家電和各種數(shù)碼產�;工業(yè)控制類中的工�(yè)PC、各類儀器儀表和各類控制設備��
  除了保證這些設備的正常運行以�,功率器件還能起到有效的節(jié)能作用。由于電子產品的需求以及能效要求的不斷提高,中國功率器件市場一直保持較快的�(fā)展速度�
  國家�(tǒng)計局�(shù)�(jù)顯示�2010年中國功率器件行�(yè)共有�(guī)模以上企�(yè)498�,全行業(yè)實現(xiàn)銷售收入1015.11億元,同比增�6.86%;實現(xiàn)利潤總額85.27億元,同比增�47.54%。從企業(yè)經濟類型來看,三資企�(yè)�(shù)量最多,其企�(yè)�(shù)量占行業(yè)�(shù)量的47.19%。從企業(yè)�(shù)�、銷售收入以及資產規(guī)模來�,江�、廣東和浙江等省所占的份額居多�

簡介

  20世紀50年代,電力電子器件主要是汞弧閘流管和大功率電子管�60年代�(fā)展起來的晶閘�,因其工作可靠、壽命長、體積小、開關速度�,而在電力電子電路中得到廣泛應用�70年代初期,已逐步取代了汞弧閘流管�80年代,普通晶閘管的開關電流已達數(shù)千安,能承受的正、反向工作電壓達�(shù)千伏。在此基礎上,為適應電力電子技術發(fā)展的需要,又開�(fā)出門極可關斷晶閘�、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導晶閘管等一系列派生器件,以及單極型MOS功率場效應晶體管、雙極型功率晶體�、靜電感應晶閘管、功能組合模塊和功率集成電路等新型電力電子器��
  各種電力電子器件均具有導通和阻斷兩種工作特性。功率二極管是二�(陰極和陽�)器件,其器件電流由伏安特性決�,除了改變加在二端間的電壓外,無法控制其陽極電流,故稱不可控器件。普通晶閘管是三端器�,其門極信號能控制元件的導�,但不能控制其關斷,稱半控型器件??申P斷晶閘管、功率晶體管等器�,其門極信號既能控制器件的導�,又能控制其關斷,稱全控型器�。后兩類器件控制靈活,電路簡�,開關速度快,廣泛應用于整�、逆變、斬波電路中,是電動機調�、發(fā)電機勵磁、感應加�、電�、電解電�、直接輸電等電力電子裝置中的核心部件。這些器件構成裝置不僅體積�、工作可靠,而且節(jié)能效果十分明�(一般可節(jié)�10%�40%)�
  單個電力電子器件能承受的正、反向電壓是一定的,能通過的電流大小也是一定的。因�,由單個電力電子器件組成的電力電子裝置容量受到限制。所�,在實用中多用幾個電力電子器件串�(lián)或并�(lián)形成組件,其耐壓和通流的能力可以成倍地提高,從而可極大地增加電力電子裝置的容量。器件串�(lián)時,希望各元件能承受同樣的正、反向電�;并�(lián)時則希望各元件能分擔同樣的電流。但由于器件的個異�,串、并�(lián)�,各器件并不能完全均勻地分擔電壓和電流。所�,在電力電子器件串聯(lián)�,要采取均壓措施;在并聯(lián)�,要采取均流措施�
  電力電子器件工作時,會因功率損耗引起器件發(fā)�、升溫。器件溫度過高將縮短壽命,甚至燒毀,這是限制電力電子器件電流、電壓容量的主要原因。為此,必須考慮器件的冷卻問�。常用冷卻方式有自冷�、風冷式、液冷式(包括油冷�、水冷式)和蒸�(fā)冷卻式等�

分類

  按照電力電子器件能夠被控制電路信號所控制的程度分類:
  1.半控型器件,例如晶閘��
  2.全控型器件,例如GTO(門極可關斷晶閘管)、GTR(電力晶體管�,MOSFET(電力場效應晶體管)、IGBT(絕緣柵雙極晶體管)�
  3.不可控器件,例如電力二極��
  按照驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質分類�
  1.電壓驅動型器件,例如IGBT、MOSFET、SITH(靜電感應晶閘管��
  2.電流驅動型器�,例如晶閘管、GTO、GTR�
  根據(jù)驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間的有效信號波形分類�
  1.脈沖觸發(fā)�,例如晶閘管、GTO�
  2.電子控制�,例如GTR、MOSFET、IGBT�
  按照電力電子器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分類:
  1.雙極型器�,例如電力二極管、晶閘管、GTO、GTR�
  2.單極型器�,例如MOSFET、SIT�
  3.復合型器件,例如MCT(MOS控制晶閘管)、IGBT、SITH和IGCT�

�(yōu)缺點

  電力二極管:結構和原理簡�,工作可靠;
  晶閘管:承受電壓和電流容量在所有器件中
  IGBT:開關速度�,開關損耗小,具有耐脈沖電流沖擊的能力,通態(tài)壓降較低,輸入阻抗高,為電壓驅動,驅動功�?。蝗秉c:開關速度低于電力MOSFET,電壓,電流容量不及GTO
  GTR:耐壓�,電流大,開關特性好,通流能力�,飽和壓降低;缺點:開關速度�,為電流驅動,所需驅動功率�,驅動電路復雜,存在二次擊穿問題
  GTO:電�、電流容量大,適用于大功率場合,具有電導調制效應,其通流能力很強;缺點:電流關斷增益很小,關斷時門極負脈沖電流�,開關速度�,驅動功率大,驅動電路復�,開關頻率低
  MOSFET:開關速度快,輸入阻抗�,熱�(wěn)定性好,所需驅動功率小且驅動電路簡單,工作頻率高,不存在二次擊穿問題;缺點:電流容量小,耐壓�,一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝��
  制約因素:耐壓,電流容�,開關的速度�

進展

  縱覽
  電力電子器件正沿著大功率�、高頻化、集成化的方向發(fā)��80年代晶閘管的電流容量已達6000安,阻斷電壓高達6500�。但這類器件工作頻率較低。提高其工作頻率,取決于器件關斷期間如何加快基區(qū)少數(shù)載流�(簡稱少子)的復合速度和經門極抽取更多的載流�。降低少子壽命雖能有效地縮短關斷電流的過程,卻導致器件導通期正向壓降的增�。因此必須兼顧轉換速度和器件通態(tài)功率損耗的要求�80年代這類器件的工作頻率在10千赫以下。雙極型大功率晶體管可以�100千赫頻率下工�,其控制電流容量已達�(shù)百安,阻斷電�1千多�,但維持通態(tài)比其他功率可控器件需要更大的基極驅動電流。由于存在熱激�(fā)二次擊穿�(xiàn)�,限制它的抗浪涌能力。進一步提高其工作頻率仍然受到基區(qū)和集電區(qū)少子儲存效應的影響�70年代中期�(fā)展起來的單極型MOS功率場效應晶體管,由于不受少子儲存效應的限制,能夠在兆赫以上的頻率下工作。這種器件的導通電流具有負溫度特�,不易出�(xiàn)熱激�(fā)二次擊穿�(xiàn)象;需要擴大電流容量時,器件并�(lián)簡單,且具有較好的線性輸出特性和較小的驅動功�;在制造工藝上便于大規(guī)模集成。但它的通態(tài)壓降較大,制造時對材料和器件工藝的一致性要求較高。到80年代�、后期電流容量僅達數(shù)十安,阻斷電壓近千伏�
  �60年代�70年代初期
  �60年代�70年代初期,以半控型普通晶閘管為代表的電力電子器件,主要用于相控電�。這些電路十分廣泛地用在電解、電鍍、直流電機傳�、發(fā)電機勵磁等整流裝置中,與傳統(tǒng)的汞弧整流裝置相�,不僅體積小、工作可靠,而且取得了十分明顯的節(jié)能效果(一般可節(jié)�10�40%,從中國的實際看,因風機和泵類負載約占全國用電量�1/3,若采用交流電動機調速傳�,可平均節(jié)�20%以上,每年可節(jié)�400億千瓦時�,因此電力電子技術的�(fā)展也越來越受到人們的重視�70年代中期出現(xiàn)的全控型可關斷晶閘管和功率晶體管,開關速度�,控制簡單,逆導可關斷晶閘管更兼容了可關斷晶閘管和快速整流二極管的功�。它們把電力電子技術的應用推進到了以逆變、斬波為中心內容的新領域。這些器件已普遍應用于變頻調速、開關電�、靜止變頻等電力電子裝置中�
  80年代初期
  80年代初期出現(xiàn)的MOS功率場效應晶體管和功率集成電路的工作頻率達到兆赫�。集成電路的技術促進了器件的小型化和功能化。這些新成就為�(fā)展高頻電力電子技術提供了條件,推動電力電子裝置朝著智能化、高頻化的方向發(fā)展�
  80年代�(fā)展起來的靜電感應晶閘�、隔離柵晶體�,以及各種組合器�,綜合了晶閘�、MOS功率場效應晶體管和功率晶體管各自的優(yōu)點,在性能上又有新的發(fā)�。例如隔離柵晶體�,既具有MOS功率場效應晶體管的柵控特�,又具有雙極型功率晶體管的電流傳導性能,它容許的電流密度比雙極型功率晶體管高幾�。靜電感應晶閘管保存了晶閘管導通壓降低的優(yōu)點,結構上避免了一般晶閘管在門極觸�(fā)時必須在門極周圍先導通然后逐步橫向擴展的過�,所以比一般晶閘管有更高的開關速度,而且容許的結溫升也比普通晶閘管�。這些新器件,在更高的頻率范圍內滿足了電力電子技術的要求�
  功率集成電路指在一個芯片上把多個器件及其控制電路集合在一起。其制造工藝既概括了代功率電子器件向大電流、高電壓�(fā)展過程中所積累起來的各種經�,又綜合了大�(guī)模集成電路的工藝特點。這種器件由于很大程度地縮小了器件及其控制電路的體�,因而能夠有效地減少當器件處于高頻工作狀�(tài)時寄生參�(shù)的影�,這對提高電路工作頻率和抑制外界干擾十分重��
  近期進展
  2014�,美國奧巴馬政府連同企業(yè)一道投�1.4億美元在NCSU成立TheNextGenerationPowerElectronicsInstitute,發(fā)展新一代寬禁帶電力半導體器件�

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