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新型电力电子器件及其应用

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新型电力电子器件及其应用 北京电力电子新技术研究开发中心副总工 刘鹿生 一 、 

988年国家科委组织了“电力电子技术发 l 展战略研究”(以下简称“战略研究”), 随后,电力电子作为一项高新技术及其对 促进工业技术进步所起的重要作用得到了普遍 承认,并分别列为国家“八五”重点科技攻关项 目及九十年代我国经济发展的关键技术和节能 重点技术。 电力【POWER)电子技术,亦称功率电子技术, 是以各类大功率半导体开关器件为基础,用于电 能变换和控制的现代工业电子技术。八十年代中 期,新型功率场控器件的问世和发展,使电力电 子跨八高频阶段,以新型功率场控器件为主流器 件的现代电力电子技术能把工作频率提升到20 _HJM lOM ; lK 】O0 KHz以上,这时电气设备的重量和体积大约是50 Hz同等功能设备的1/10左右,其效益是极其可观 的。 新型电力电子器件都是采用集成技术制备 的器件,包括 壅 Q河(亦称纵向双扩散 Q兰 里 Q量L!鱼呈!!塑丝蛆霉极晶体管)和 MCT(MOS控制晶闸管)及其模块,还有将数字电 路、模拟电路和功率器件集成在同一芯片上的功 率集成电路PIC,以及将上述器件和其它元、器件 二次集成的智能功率模块IPM。 图1示出电力电子器件的输出容量、工作频 率和主要应用领域的关系,虚线是预期2000年达 到的水平。 

频率(fz) 固1 电力电子器件曲输出客量、工作频率和主要应用领域 

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新型电力电子器件 的应用领域极为广泛,由 图1可见,包括电力机 车、电动汽车、马达控 制 机器人、照明电子, 开关电源和微波功放 等。 随着电力电子技术 的广泛应用,大量非线性 负荷的电子设备,诸如整 流设备、变频器、各类 电源及电子镇流器等,使 供电网络的电压和电流 的正弦波发生畸变一一 谐波 谐波阻碍电能的台 理高教利用,还会引发不 安垒事故,因此各国都把 

BcH,世界电子元芎导件1996,11 

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电阿中的谐波视为电力污染和公害,都在致力于 解决谐波的发生、吸收和限制谐波传播等高功率 因数和低谐波的高品质用电问题。 本文结合发展动态阐述功率MOS、IGBT、 MCT、PIC和IPM的结构和主要特点 及典型应用:节能灯与电子镇流器、变 频器、多电平变换器、开关电源、电焊 机和光电池一一蓄电池充电器等。同 时给出相关器件和产品的部分厂商和 型号。 

新型电力电子器件 

MOS的I1-1-[I外延层,这样,在大电流工作时,pnp的 P 注入空穴,引入大注入效应,产生电导调制, 从而降低通态电阻。 IGBT具有功率MOS输入阻抗高.驱动电路 

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1 功率MOS(亦称VDMOS) 功率MOS和集成电路中微电子的MOS一样, 都是电压控制的多数载流子器件,输入阻抗高。 微电子的MOS是横向结构,功率MOS是纵向结 图2功率M0s的器件符号 掏。图2显示出功率MOS 的器件符号。 由图2看出,功率MOS 固有的寄生反并联二极 管,称作体二极管。在逆变 器中它可用作续流二极 管,在斩波器中却要串联 个整流管以防止可能的 反向电流流过。总之,在设 计应用时应注意体二极管的存在和作用。 功率MOS的主要特点:(1)工作频率高, 100KHz以上;开关速度快I,J、于lOOns。(2)输入阻 抗高,驱动功率小。o)热稳定性好,其电流具有负 温度系数,当结温升高时电流降低,呈现良好的 电流自动调节能力。它的不足之处是器件耐压的 提高其通态电阻也增大,因此常用电压区域在 1000V以下。 生产该器件的厂商很多,北京电力电子新技 术研究开发中心等单位合资的北京先进功率技 术(BAPT)公司有APTX X X X DN系列,中科院 微电子中心有KW系列,IR公司有IRF系列。 2.IGBT(绝缘栅双极晶体管) 为了降低功率MOS的通态电阻,研制了 IGBT,图3示出其等效电路。它用P+n 取代功率 FeN/世界电子元器件1996.1 1 D 目3 IGBT的剖面结构(a)和简化的等效电路(b) 简单和安全工作区大的优点,在功率处理能力相 同时,芯片尺寸小,电流密度大。但是,由于引入 少子,就有少子存贮效应,使下降时间延长。IGBT 是当前大功率中频范围的主流器件,1700V/8OOA 的器件已商品化。 新型槽栅(Trech)型IGBT结掏能消除寄生的 结型场效应管效应,减轻闩锁效应和增强过剩载 流于注入阴极能力等,因此 槽栅型IGBT能在高 电压快关断的应用中取代GTO和晶闸管。 生产IGBT的厂家不少,但国内只有刚通过国 家验收的北京先进(BAPT)公司生产线,即将生产 APT×XGL和APT X X×GF系列。国外有东芝 的MG、MT单管和MIG模块系列,IR的IRGBC和 IRGBF系列。 3.MCT(MOS控制晶闸管) MCT是在晶闸管(SCR)结掏中集成一对Mos FET来控制SCR的导通和关断。使SCR导通的P 淘MOS称为ON-FET,使其关断的N沟MOS称为 

10 阴极 阴极 图4 MCT等技电路 

。 维普资讯 http://www.cqvip.com OFF-FET.见图4:OFF-FET的源一漏连接PNP管的 基.射极。还有ON—FET的源.漏连接在PNP管集· 射极,这样MOS的栅极成为MCT的门极。对门极 施加相对于阳极为负脉冲时,ON·FET导通,其漏 微电流使NPN管导通,而NPN管叉使PNP管导通 这样形成的正反馈过程使MCT导通。当对门极 施加相对阳极为止脉冲时,OFF-FET导通,PNP管 的基极电流中断,正反馈过程 被破坏,MCT关断。 MCT与SCR的主要区别: 前者是电压控制器件而后者是 电流控制器件;门板信号极性 前者相对阳板而后者相对阴极 为基准。 MCT的特点:(1)击穿电压 高,可达3000V;电流容量大,峰 值电流1000A。(2)通态压降小, 约为IGBT的1/3。(3)dv/dt和di, dl极高。(4)开关速度快,开关 损耗小。(5)结温在200℃以上 仍可工作。(6)可用简单的熔断 器作短路保护。 从图1 MCT虚线预期的界 

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PIC的广泛应用将引发电子学的义一次革命。因 此,P1C产品的开发方兴未艾,任重而道远。 骊山微电子公司已生产汽车专用PIC。东芝 有电机控制器T2B17,IR有驱动器IR21l0,Unitrode 公司肯UC系列的各种驱动器,控制器和调制器 等P1C。不少著名半导体厂商都有专用的PIC。 5.IPM(智能功率模块) 

图5 IPM的LP封装和sP4t装 l J《般 主 盅 3-散摊 土曲 卓0件*片 4有 与无 表 肚蓑.,LII-件 }慧声拓 ●£畚 6_艘 7痹氧树脯 8目卓引 脚 号 I 脚 1( i HE I1 粗一却捌t荜枉连甚 I 2-内郜卸刷t卑收 

限所示,MCT被指望取代GTO和SCR。因此,近几 年有关功率器件的国际学术会议上,MCT及其派 生器件是热门题目之一。 厂商与型号:GE公司有TA9789、TA9836系列 和模块GE300AP。 4.PIC(功率集成电路) 七十年代初,为了与微处理器接口,将4个 NPN达林频管和4个D锁存器集成在同一芯片上, 开创了既有功率器件又有独立逻辑功能的P1C。 目前以双极4 ̄MOS一功率MOS兼容的BiCDMOS 结构为主。 HC的电流,电压额定值取决于PIC中器件之 间采用的隔离技术:(1)PN结隔离可达100V/20A水 平;(2)介质隔离,单端功率输出达到1000V/4OA,多 端功率输出达到500V/40A P1C能够将电力电子.微电子一传感电子三者 兼容和集成起来,构成大电子体系。有人预言, 

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1PM是采用二次集成技术,将功率开关器件 及相关的驱动、逻辑、过电压、过电流、过热、欠 压和制动等电路集成在一起,用数字信号处理器 (DSP)或微处理器进行信号实时处理和监控,即 使发生负载事故或应用不当,也不致损坏1PM。 图5示出APT公司IPM的两种封装结构。 IPM的优点是 1)提高可靠性;(2)缩短产品设 计与评估周期;(3)体积小;(4)更便于组合使用。 APT公司有MOS的IMAT系列和IGBT的 LRGAT系列。三菱公司有PMx x×DHA×x x 系列和PMx x×系列。 

二、应用 1.高效节能灯和电子镇流器 “战略研究”指出,高效节能灯比自积灯节 电80%,比普通荧光灯节电30%。据国家有关方面 介绍,1995年全国总发电量为9050亿千瓦小时,而 

E0 世界电子元器件1996.11 

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照明用电就占了1085亿千瓦小时。如果将全国的 白炽灯都换成节能灯,则年节电938亿千瓦小时, 相当于5座长江葛洲坝电站年发电量之和,节电 效益惊人! 节能灯主要由三基色稀土荧光粉的灯管和 电子镇流器组成。前者能将不可见的紫外线转化 为可见光,从而提高发光率。30K ̄50KHz的电子 镇流器可配置节能灯,也 可配置普通荧光灯,它取 代50Hz的感应式镇流器 能节电15%左右。例如, 北京师范大学扩建的图 书馆,使用BPEC.IV型高 质量电子镇流器,配置普 通荧光管,使节约的电量 解决了另一新建楼房的 用电负荷,同时也节约了 变压器扩容所需的基建 投资。 高质量的电子镇流 逆变器的效率高于95%。 图6的电路分析指出,工作频率应远高于谐 振频率,否则功率MOS管的工况将越出安全工作 区或要承受较高的di/dt动态应力,降低可靠性和 效率。 三基色稀土荧光粉和BPEC.IV型电子镇流 器均是北京电力电子新技术研究开发中心 

圈7 400V/160KW IGBT ̄变器的主电路 器由电磁辐射(EM1)滤波器、功率因数修正器 (PFC)、高频DC—AC逆变器和包括过电压、过电 流、欠压和灯丝预热等保护功能的脉宽调制 (PWM)器组成。图6给出一种谐振式D类逆变器 主电路,工作频率为50KHz。图6中的L-Cc—Cp构 成谐振回路,谐振频率为31.5KHz。功率MOS用 M1TEL公司的M .5N40,和功率MOS反并联的续 流二极管可利用功率MOS内寄生的体二极管,此 

(BPEC)承担技术攻荧和生产的产品。BPEC—IV型 电子镇流器的功率因数达到0987,谐波含量降到 8%,而市售电子镇流器分别为0 65和130% 上。 Unitrode公司有功率因数修正器UC 3852,UC 3854-55系列,有PWN控制器UC3871—72系列。 2.电机的变频调速传动 “战略研究”指出,我国风机和泵娄负荷占 全国用电量的1,3,采用电力电子技术的交流电机 

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