電力電子器件又稱為功率半導體器件,主要用于電力設備的電能變換和控制電路方面大功率的電子器件(通常指電流為數(shù)十至數(shù)千安,電壓為數(shù)百伏以上)。功率器件幾乎用于所有的電子制造業(yè),包括計算機領域的筆記本、PC、服務器、顯示器以及各種外設;網(wǎng)絡通信領域的手機、電話以及其它各種終端和局端設備;消費電子領域的傳統(tǒng)黑白家電和各種數(shù)碼產(chǎn)品;工業(yè)控制類中的工業(yè)PC、各類儀器儀表和各類控制設備等。除了保證這些設備的正常運行以外,功率器件還能起到有效的節(jié)能作用。由于電子產(chǎn)品的需求以及能效要求的不斷提高,中國功率器件市場一直保持較快的發(fā)展速度。國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)顯示,2010年中國功率器件行業(yè)共有規(guī)模以上企業(yè)498家,全行業(yè)實現(xiàn)銷售收入,同比增長,同比增長。從企業(yè)經(jīng)濟類型來看,三資企業(yè)數(shù)量多,其企業(yè)數(shù)量占行業(yè)數(shù)量的。從企業(yè)數(shù)量、銷售收入以及資產(chǎn)規(guī)模來看,江蘇、廣東和浙江等省所占的份額居多。20世紀50年代,電力電子器件主要是汞弧閘流管和大功率電子管。60年代發(fā)展起來的晶閘管,因其工作可靠、壽命長、體積小、開關速度快,而在電力電子電路中得到。不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。揚州模擬電子技術基礎
80年代這類器件的高工作頻率在10千赫以下。雙極型大功率晶體管可以在100千赫頻率下工作,其控制電流容量已達數(shù)百安,阻斷電壓1千多伏,但維持通態(tài)比其他功率可控器件需要更大的基極驅動電流。由于存在熱激發(fā)二次擊穿現(xiàn)象,限制它的抗浪涌能力。進一步提高其工作頻率仍然受到基區(qū)和集電區(qū)少子儲存效應的影響。70年代中期發(fā)展起來的單極型MOS功率場效應晶體管,由于不受少子儲存效應的限制,能夠在兆赫以上的頻率下工作。這種器件的導通電流具有負溫度特性,不易出現(xiàn)熱激發(fā)二次擊穿現(xiàn)象;需要擴大電流容量時,器件并聯(lián)簡單,且具有較好的線性輸出特性和較小的驅動功率;在制造工藝上便于大規(guī)模集成。但它的通態(tài)壓降較大,制造時對材料和器件工藝的一致性要求較高。到80年代中、后期電流容量達數(shù)十安,阻斷電壓近千伏。從60年代到70年代初期,以半控型普通晶閘管為的電力電子器件,主要用于相控電路。這些電路十分地用在電解、電鍍、直流電機傳動、發(fā)電機勵磁等整流裝置中,與傳統(tǒng)的汞弧整流裝置相比,不僅體積小、工作可靠,而且取得了十分明顯的節(jié)能效果(一般可節(jié)電10~40%,從中國的實際看,因風機和泵類負載約占全國用電量的1/3,若采用交流電動機調速傳動?;茨蠑?shù)字電子技術專業(yè)七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻調速因節(jié)能效果而迅速發(fā)展。
可平均節(jié)電20%以上,每年可節(jié)電400億千瓦時),因此電力電子技術的發(fā)展也越來越受到人們的重視。70年代中期出現(xiàn)的全控型可關斷晶閘管和功率晶體管,開關速度快,控制簡單,逆導可關斷晶閘管更兼容了可關斷晶閘管和快速整流二極管的功能。它們把電力電子技術的應用推進到了以逆變、斬波為中心內容的新領域。這些器件已普遍應用于變頻調速、開關電源、靜止變頻等電力電子裝置中。80年代初期出現(xiàn)的MOS功率場效應晶體管和功率集成電路的工作頻率達到兆赫級。集成電路的技術促進了器件的小型化和功能化。這些新成就為發(fā)展高頻電力電子技術提供了條件,推動電力電子裝置朝著智能化、高頻化的方向發(fā)展。80年代發(fā)展起來的靜電感應晶閘管、隔離柵晶體管,以及各種組合器件,綜合了晶閘管、MOS功率場效應晶體管和功率晶體管各自的優(yōu)點,在性能上又有新的發(fā)展。例如隔離柵晶體管,既具有MOS功率場效應晶體管的柵控特性,又具有雙極型功率晶體管的電流傳導性能,它容許的電流密度比雙極型功率晶體管高幾倍。靜電感應晶閘管保存了晶閘管導通壓降低的優(yōu)點,結構上避免了一般晶閘管在門極觸發(fā)時必須在門極周圍先導通然后逐步橫向擴展的過程,所以比一般晶閘管有更高的開關速度。
變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)取_@時的電力電子技術已經(jīng)能夠實現(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,局限在中低頻范圍內。變頻器時代進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉化的標志。據(jù)統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)小型輕量化。因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同。
而且容許的結溫升也比普通晶閘管高。這些新器件,在更高的頻率范圍內滿足了電力電子技術的要求。功率集成電路指在一個芯片上把多個器件及其控制電路在一起。其制造工藝既概括了代功率電子器件向大電流、高電壓發(fā)展過程中所積累起來的各種經(jīng)驗,又綜合了大規(guī)模集成電路的工藝特點。這種器件由于很大程度地縮小了器件及其控制電路的體積,因而能夠有效地減少當器件處于高頻工作狀態(tài)時寄生參數(shù)的影響,這對提高電路工作頻率和外界干擾十分重要。電子元器件是電子元件和小型的機器、儀器的組成部分,其本身常由若干零件構成,可以在同類產(chǎn)品中通用;常指電器、無線電、儀表等工業(yè)的某些零件,是電容、晶體管、游絲、發(fā)條等電子器件的總稱。常見的有二極管等。電子元器件包括:電阻、電容、電感、電位器、電子管、散熱器、機電元件、連接器、半導體分立器件、電聲器件、激光器件、電子顯示器件、光電器件、傳感器、電源、開關、微特電機、電子變壓器、繼電器、印制電路板、集成電路、各類電路、壓電、晶體、石英、陶瓷磁性材料、印刷電路用基材基板、電子功能工藝材料、電子膠(帶)制品、電子化學材料及部品等。電子元器件在質量方面國際上有歐盟的CE認證,美國的UL認證。電子技術是十九世紀末到二十世紀初開始發(fā)展起來的新興技術,二十世紀發(fā)展迅速。淮北通訊電子技術
半導體器件是構成各種分立、集成電子電路基本的元器件。揚州模擬電子技術基礎
1906年美國人德福雷斯特發(fā)明真空三極管,用來放大電話的聲音電流。此后,人們強烈地期待著能夠誕生一種固體器件,用來作為質量輕、價廉和壽命長的放大器和電子開關。1947年,點接觸型鍺晶體管的誕生,在電子器件的發(fā)展史上翻開了新的一頁。但是,這種點接觸型晶體管在構造上存在著接觸點不穩(wěn)定的致命弱點。在點接觸型晶體管開發(fā)成功的同時,結型晶體管論就已經(jīng)提出,但是直至人們能夠制備超高純度的單晶以及能夠任意控制晶體的導電類型以后,結型晶體管材真正得以出現(xiàn)。1950年,具有使用價值的早的鍺合金型晶體管誕生。1954年,結型硅晶體管誕生。此后,人們提出了場效應晶體管的構想。隨著無缺陷結晶和缺陷控制等材料技術、晶體外誕生長技術和擴散摻雜技術、耐壓氧化膜的制備技術、腐蝕和光刻技術的出現(xiàn)和發(fā)展,各種性能優(yōu)良的電子器件相繼出現(xiàn),電子元器件逐步從真空管時代進入晶體管時代和大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路時代。逐步形成作為高技術產(chǎn)業(yè)的半導體工業(yè)。由于社會發(fā)展的需要,電子裝置變的越來越復雜,這就要求了電子裝置必須具有可靠性、速度快、消耗功率小以及質量輕、小型化、成本低等特點。自20世紀50年代提出集成電路的設想后。揚州模擬電子技術基礎
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