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功率半导体器件的基本功能和用途

功率半导体器件应用讲座第1讲:功率半导体器件的基本功能和用途
功率半导体器件(Power Semiconductor Device),也可以叫做电力半导体器件,或者电力电子器件,属于电力电子技术的范畴。现代电力电子器件有时包括介电材料和磁性材料等构成的电容、电感元件,但在此我们特指功率半导体器件。
根据IEEE(电气和电子工程师协会)的一般定义,电力电子技术是有效地使用功率半导体器件,应用电路和设计理论以及分析方法工具,实现对电能的高效变换和控制的一门技术。电力电子技术始于20世纪70年代,经历40多年的发展,已经成为现代工业社会的支撑技术之一。
电力电子技术离不开电力电子变换器(Power Converter)。电力电子变换器是进行电力特征形式变换的电力电子电路和装置的总称,它有如下4种基本模式:直-交(DC/AC)逆变模式、交-交(AC/AC)变频模式、交-直(AC/DC)整流模式和直-直(DC/DC)变换模式。
 电力电子变换器的形式多种多样,但一般以功率半导体器件、不同拓扑形式的电路和不同的控制策略作为基本组成元素,也称为“变换器三要素”。图1为一个典型的电力电子变换器示意图。
 
典型的电力电子变换器示意图
功率半导体器件是电力电子技术及其应用装置的基础,是推动电力电子变换器发展的主要源泉。功率半导体器件处于现代电力电子变换器的心脏地位,它对装置的可靠性、成本和性能起着十分重要的作用。40年来,普通晶闸管(Thyristor,SCR)、门极关断晶闸管(GTO)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)先后成为功率半导体器件的发展平台。能称为“平台”者,一般是因为它们具备以下几个特点:①长寿性,即产品生命周期长;②渗透性,即应用领域宽;③派生性,即可以派生出多个相关新器件家属。
       电力电子变换器的功率等级覆盖范围非常广泛,包括小功率范围(几W到几kW),如笔记本电脑、冰箱、洗衣机、空调等;中功率范围(10kW到几MW),如电气传动、新能源发电等;大功率范围(高达几GW),如高压直流(HVDC)输电系统等。
电力电子变换器的应用领域越来越广泛,同时也对功率半导体器件提出了更高的性能需求。继前些年推出集成门极晶闸管(IGCT)和电子注入增强型栅极晶体管(IEGT)后,如今采用碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)材料的新型功率器件已经应运而生。目前,功率半导体的发展主要是其功率承受能力和开关频率之间的矛盾,往往功率越大,耐压越高,允许的开关频率就越低。从功率半导体器件的个体来说,大功率和高频化仍是现阶段发展的两个重要方向。
       功率半导体器件应用需要考虑大功率电路应用的特性,如绝缘、大电流能力等,在实际应用中,以动态的“开”和“关”为运行特征,一般不运行在放大状态。由功率半导体器件构成的电力电子变换器实施的是电磁能量转换,而不是单纯的开/关状态,它的很多非理想应用特性在电力电子变换器中起着举足轻重的作用。要用好功率半导体器件,既要熟悉电力电子变换器的拓扑,更要充分掌握器件本身的特性。
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