KA_IX

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电力电子器件的发展史,都有哪些器件?

2021-10-20 14:00:21 显示全部楼层
电力电子器件是电力电子技术的基础,电力电子器件的不断发展引导着各种电力电子拓扑电路的不断完善,今天小编带大家一起回顾下电力电子器件的发展史,一起领略人类智慧如何一步步进入这个神奇的电力世界,Magic。
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这个得从爱迪生在研究电灯泡时说起,他做了管壁的防尘防烟实验,1880年无意间发现在灯泡管内插入独立电极的地方与灯丝之间,在某种条件下会产生电流。这个现象被称为「爱迪生效应」,爱迪生本人没有继续探讨,直到1904年英国佛莱明在横越大西洋无线电通信发报机中,才首次利用「爱迪生效应」研制出一种能够充当交流电整流和无线电检波的特殊灯泡—“热离子阀”,从而催生了世界上第一只电子管,称为佛莱明管(二极检波管),也就是人们所说的真空二极管,世界进入电子时代,主要应用的是通信和无线电领域。当时的佛莱明管只有检波与整流的功用,而且并不稳定。
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第一只真空二极管

1906年,为了提高真空二极管检波灵敏度,德·福雷斯特在佛莱明的玻璃管内添加了栅栏式的金属网,形成第三个极,三极真空管被发明,让真空管具有放大与振荡的功能,我们通常认定1906年是真空管元年。
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德·福雷斯特与真空三极管

1930年代-1950年代,水银整流器迅速发展;广泛应用于电化学工业、电气铁道直流变电、直流电动机的传动,此时,整流、逆变、周波变流电路都已成熟并被广泛应用。
1947年,美国著名的贝尔实验室发明了晶体管,这个晶体管是点触式器件,用多晶锗做成,继而硅材料器件同样实现,一场电子技术的革命开始了。
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第一个晶体管

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1957年,美国通用电气公司,第一个晶闸管出现,标志着电力电子技术的诞生,正式进入了电力电子技术阶段,也就是第一代电力电子器件稳步发展的开始。
第一代电力电子器件就是以晶闸管为代表,在60、70年代在整流技术上广泛应用,但是由于第一代电力电子器件通过其门极只能控制其导通,不能控制其关断,所以只能是半控型器件。半控型器件在直流供电场合,要实现关断必须另加电感、电容和其他辅助开关器件组成强迫换流电路,这样造成的缺点是:变流装置整机体积增大,重量增加、效率降低,并且工作频率一般低于400Hz。
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1970年代后期,门极可关断晶闸管GTO、电力双极型晶体管BJT、电力场效应晶体管功率MOSFET为代表的全控型器件迅速发展,第二代电力电子器件应运而生。
第二代电力电子器件就实现了既能被控制导通,也能控制关断的全控型器件,使得各类电力电子变换电路及控制系统开始不断涌现,如直流高频斩波电路、软开关谐振电路、脉宽调制电路等。一直沿用于今天的各种常见电源上,跨入全控器件快速发展阶段。
1980年代后期,以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)集合了MOSFET的驱动功率小、开关速度快和BJT通态压降小、载流能力大的优点,成为现代电力电子技术的主要器件;在中低频大功率电源中占重要地位。20世纪90年代,智能功率模块使功率器件的发展向大功率、高频化、高效率跨向一大步。
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电力电子器件发展图

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这些功率器件在各自不同的领域发挥着各自重要的作用。按照导通、关断的受控情况可分为不可控、半控和全控型器件,按照载流子导电情况可分为双极型、单极型和复合型器件,按照控制信号情况,可以分为电流驱动型和电压驱动型器件,根据它们的这些结构和特点应用领域也不完全相同。
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电力电子器件分类及特点

目前,以MOSFET、IGBT、晶闸管等为代表的主流功率器件在各自的频率段和电源功率段占有一席之地。
功率MOSFET的问世打开了高频应用的大门,这种电压控制型单极型器件,主要是通过栅极电压来控制漏极电流,因而它有一个显著特点就是驱动电路简单、驱动功率小,开关速度快,高频特性好,最高工作频率可达1MHz以上,适用于开关电源和高频感应加热等高频场合,且安全工作区广,没有二次击穿问题,耐破坏性强。缺点是电流容量小,耐压低,通态压降大,不适宜大功率装置。目前MOSFET主要应用于电压低于1000V,功率从几瓦到数千瓦的场合,广泛应用于充电器、适配器、电机控制、PC电源、通信电源、新能源发电、UPS、充电桩等场合。功率MOSFET在高频应用场合的地位举足轻重,后面我们会专门对MOSFET展开讲解!
IGBT综合了MOSFET和双极型晶体管的优势,有输入阻抗高,开关速度快,驱动电路简单等优点,又有输出电流密度大,通态压降下,电压耐压高的优势,电压一般从600V~6.5kV。IGBT优势通过施加正向门极电压形成沟道,提供晶体管基极电流使IGBT导通,反之,若提供反向门极电压则可消除沟道,使IGBT因流过反向门极电流而关断。比较而言,IGBT开关速度低于MOSFET,却明显高于GTR;IGBT的通态压降同GTR接近,但比功率MOSFET低很多;IGBT的电流、电压等级与GTR接近,而比功率MOSFET高。由于IGBT的综合优良性能,已经取代GTR,成为逆变器、UPS、变频器、电机驱动、大功率开关电源,尤其是现在炙手可热的电动汽车、高铁等电力电子装置中主流的器件。
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各器件应用电路

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单管输出功率与工作频率的关系

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各器件电压和输出功率水平

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前面都是以Si材料为基础的各种电力电子器件,随着Si材料电力电子器件逐渐接近其理论极限值,利用宽禁带半导体材料制造的电力电子器件显示出比Si和GaAs更优异的特性,给电力电子产业的发展带来了新的生机。相对于Si材料,使用宽禁带半导体材料制造新一代的电力电子器件,可以变得更小、更快、更可靠和更高效。这将减少电力电子元件的质量、体积以及生命周期成本,允许设备在更高的温度、电压和频率下工作,使得电子电子器件使用更少的能量却可以实现更高的性能。图8中对Si、4H-SiC以及GaN的几个重要参数性能进行了对比。基于这些优势,宽禁带半导体在家用电器、电力电子设备、新能源汽车、工业生产设备、高压直流输电设备、移动基站等系统中都具有广泛的应用前景。
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不同半导体材料的参数对比

其中:
禁带宽度Eg增加:反向漏电减小,工作温度高,抗辐射能力强;
更高的临界电场:导通电阻减小,阻断电压增大;
热导率:高的热导率,代表热阻小,热扩散能力好,功率密度高;
更快的饱和漂移速率:开关速度快,工作效率高;
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20世纪90年代末,美国Cree公司开始建立SiC生产线,供应商开始提供商品化的碳化硅基。2001年德国Infineon公司推出SiC二极管产品,美国Cree和意法半导体等厂商也紧随其后推出了SiC二极管产品。随后SiC MOSFET、SiC JFET和SiC BJT等产品相继出现。同样,90年代末,GaN材料也开始在二极管中出现,直到2009年左右GaN功率电力电子器件商业化。
SiC衬底材料方面,主流产品逐渐由4英寸向6英寸过渡,并开始研发和生产8英寸衬底;外延材料方面,6英寸外延片已经产业化,外延速率最高可以达到170μm /h,100μm以上的高厚度外延片缺陷密度低于0.1-2 cm;应用方面,SiC器件正在渗透到以电动汽车、消费类电子、新能源、轨道交通等为代表的民用领域。
GaN衬底材料方面,住友电工、日立电线、古河机械金属和三菱化学等日本公司已可以出售标准2-3英寸HVPE制备的GaN衬底,具备4英寸衬底(位错密度106cm-2)的小批量供应能力。外延材料方面,美国Nitronex,德国Azzuro和日本企业开始提供6英寸制备600V以上电力电子器件的Si上GaN外延材料。SiC衬底的射频微波功率用GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)外延片已实现产业化。GaN电力电子器件方面,目前已推出耐压650V及以下系列 Si基GaN功率器件,主要应用于服务器电源、车载充电、光伏逆变器等。
在巨大优势和光明前景的刺激下,目前全球各国均在加大马力布局第三代半导体领域,但我国在宽禁带半导体产业化方面进度还比较缓慢,宽禁带半导体技术亟待突破,而最大的瓶颈是原材料和成本问题。我国对SiC晶元的制备尚为空缺,大多数设备靠国外进口,我国原材料的质量、制备问题亟待破解。虽然因为材料和成本的些许问题还没大量推广,但是待解决了材料和工艺瓶颈,降低产品成本的日子离我们就会很近!

来源:头条号号“电子电路设计与开发”

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自做自受 2021-10-20 17:07:31 显示全部楼层
本帖最后由 自做自受 于 2021-10-20 17:24 编辑

呵呵,我手头还收留着一台1977年买的电子管收音机,不能用了,总想修理,总没时间,也好,看着它满足回忆的乐趣。
常说,温故而知新。因为过去不环保,现在总提要环保,可能吗?人类科技进步了还是退步了?

二哲科技

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二哲科技 2021-10-21 09:12:05 显示全部楼层
科技在进步,但是对人类真的有好处吗?
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