常用的功率半导体器件有哪些?都具有什么功能?
电力电子器件又称为功率半导体器件,主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件。
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好的,常用的功率半导体器件及其功能如下:
功率半导体器件主要用于控制或转换电能,特别是在处理较高电压、电流和功率的应用中。以下是一些最常见的类型及其主要功能:
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功率二极管
- 功能: 整流。只允许电流单向流动(从阳极到阴极)。最基本的功能是将交流电整流成直流电。
- 特点: 结构简单、成本低、可靠性高。没有控制能力,只能被动导通。
- 典型应用: 整流桥、电池充电器、逆变器的续流二极管(提供续流通道)。
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晶闸管
- 主要类型: 包括可控硅整流器、门极可关断晶闸管等。
- 功能 (SCR): 可控整流与交流开关。通过门极脉冲信号触发导通(开通可控),但关断需要电流过零或施加反向电压(关断不可控,是 半控型器件)。
- 特点: 耐压高、电流大、损耗相对较低。开关频率较低(通常工频或几千Hz以下)。
- 典型应用: 工业大功率整流器、电机软启动器、交流调功器、直流电机驱动、高压直流输电。
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功率场效应晶体管
- 主要类型: 功率金属氧化物半导体场效应晶体管。其中功率 MOSFET 最常用。
- 功能: 高频开关。通过栅极电压控制漏极和源极之间的电流导通与关断(是 全控型器件)。
- 特点: 开关速度极快(可达MHz级),驱动功率小(电压控制型),导通电阻较高(尤其在高压器件中,导通损耗相对大),耐压一般不如晶闸管和IGBT高(通常在1000V以下)。
- 典型应用: 开关电源、适配器、笔记本电脑/手机的充电器、DC-DC变换器、高频感应加热、电动车辅助电源、LED驱动等需要高效率高频开关的场合。
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绝缘栅双极晶体管
- 功能: 中高压、中高功率开关。结合了MOSFET(栅极控制电压,驱动简单)和BJT(低压降导通)的优点。通过栅极电压控制集电极和发射极之间的导通与关断(是 全控型器件)。
- 特点: 开关频率适中(通常几千Hz到上百kHz),耐压高(可达数千伏甚至上万伏),电流大,导通压降低(导通损耗小于高压MOSFET),是中等频率、中等功率到高功率应用的主力器件。驱动功率比晶闸管小,但比MOSFET大。
- 典型应用: 工业变频器、UPS电源、感应加热、电焊机、电动车牵引逆变器、电机驱动(特别是交流伺服驱动)、家用电器(如变频空调)。
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肖特基势垒二极管
- 功能: 也是一种二极管,主要用于 整流和续流。
- 特点: 最大的特点是 导通压降非常低,开关速度极快。
- 缺点: 反向漏电流比普通硅二极管大,耐压较低。
- 典型应用: 高频开关电源的输出整流、高频DC-DC变换器、开关器件(如MOSFET、IGBT)的续流二极管,用于减少开关损耗。
新一代功率半导体器件(宽禁带半导体):
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碳化硅:
- 器件类型: SiC MOSFET, SiC SBD, SiC JFET。
- 功能: 与硅基器件功能相同(整流、开关),但性能显著提升。
- 特点: 禁带宽度大,带来 更高耐压、更高结温、更低导通损耗、极高开关频率(远超硅基IGBT/MOSFET)、更高热导率。
- 应用: 电动车主逆变器/车载充电器、数据中心/服务器电源、光伏/风电逆变器、充电桩、要求极高的工业变频器/不间断电源、轨道交通。
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氮化镓:
- 器件类型: GaN FET,主要基于横向器件结构,有耗尽型(d-mode)和增强型(e-mode)两种主流结构。
- 功能: 高速开关。
- 特点: 同样具有禁带宽度大的优势,提供 极高的开关速度(比Si MOSFET还快数倍)、导通电阻低、开关损耗极低、体积可做得非常小。目前器件耐压主要在650V及以下。
- 应用: 超高频高效电源适配器/手机快充头、高端消费类电子产品电源、数据中心/服务器电源、车载充电器、激光雷达驱动、射频功率放大器。
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新兴趋势: 氧化镓 和 金刚石半导体 也在研究中,理论性能指标极其优异(特别在超高耐压和散热方面),但离大规模商业化应用还有距离。
总结:
| 器件类型 | 主要功能 | 关键性能特点 | 典型应用领域 |
|---|---|---|---|
| 功率二极管 | 整流,续流 | 单向导通,结构简单,可靠 | 整流桥,续流电路,电池充电器 |
| 晶闸管 | 可控整流,交流开关 (SCR) | 高耐压,大电流,半控型,开关频率低 | 工业整流,调光/调功,软启动器,高压直流输电 |
| 功率MOSFET | 高频开关 | 超快开关速度 (MHz级),驱动简单,电压控制型,导通电阻较高 | 开关电源,DC-DC转换器,适配器/充电器,LED驱动 |
| IGBT | 中高压、中高功率开关 | 高耐压,大电流,开关频率适中,全控型,驱动比MOSFET复杂 | 变频器/逆变器,UPS,电机驱动,电动车/轨道交通主驱动,焊接设备,感应加热 |
| SBD | 高频整流,续流 | 低压降,超快恢复时间,反向漏电较大 | 高频开关电源输出整流,高速续流二极管 |
| SiC器件 | (同硅器件功能) 高性能整流/开关 | 超高耐压/高温/频率,极低导通/开关损耗,高热导率 | 电动车主驱/OBC/充电桩,数据中心电源,光伏/风电逆变器,高端工业变频器/UPS |
| GaN器件 | 高速开关 | 极高开关频率,极低开关损耗,导通电阻低,体积小 | 超高效快充适配器,高端消费电子产品电源,服务器电源,激光雷达 |
这些器件各有优缺点和应用侧重点,共同构成了现代电力电子技术的基础,广泛应用于从家用电器、便携设备到工业驱动、电力系统输送、新能源发电和电动汽车等各个领域。SiC和GaN等宽禁带器件正快速发展,在高效率、高频、高温等应用领域逐步取代传统硅基器件。
功率半导体器件的直接均流技术详细介绍
( RCT)等,还是新型功率半导体器件如:门极关断晶闸管(GTO)、门极换流晶闸管(GCT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)等,甚至是绝缘栅双极
资料下载
佚名
2021-03-16 10:39:00
什么是基于SiC和GaN的功率半导体器件?
元件来适应略微增加的开关频率,但由于无功能量循环而增加传导损耗[2]。因此,开关模式电源一直是向更高效率和高功率密度设计演进的关键驱动力。 基于 SiC 和 GaN 的
2023-02-21 16:01:16
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