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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:

  1. 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)。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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)。
  5. 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):

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。

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