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常用电力半导体器件的分类及其特点

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常用电力半导体器件的分类及其特点

从控制性能角度观察,电力半导体器件可以划分为不控器件、半控器件和全控器件等三大类。

 

(1)不控器件(二极管)

图1 二极管

不控器件以二极管为代表,所谓不控是说这种器件没有控制极,不具备弱电控制的导通或关断功能,不控器件虽然性能不完善,但结构简单,可靠性高,是目前所有同条件(额定电压和电流)下可靠性最高的半导体器件。

 

2半控器件[晶闸管、DDS(T)]

图2 晶闸管

 

图3  DDS(T)

 

半控器件以晶闸管、DDS(T)(动态驱动器件)为代表,该种器件带有控制极,但控制极只能控制器件的导通,却不能控制器件的关断,器件的关断只能靠改变主电路工作条件来实现。半控器件在控制性能上虽然仍不完善,但在可靠性上是唯一能够和不控器件相媲美的器件,原因是:

 

 晶闸管没有介于导通和关断之间的放大区,因此通态内阻最小,发热最少,承受过电流能力极强,可以达到10—20倍的额定电流。

 

● 单管电流大,不需要多器件并联。目前大功率晶闸管轻易地可以做到额定电流3000 A—5000A,避免了在大电流应用时必须并联,从而产生不均流导致器件损坏问题的发生。

 

● 只需要很窄的脉冲,易于采用变压器实现强弱电的隔离,使弱电控制免受强电干扰,大大提高了控制装置的可靠性。

 

● 散热性好。温度是半导体器件可靠性的大敌,理论和实践证明,半导体器件的失效、损坏以及性能蜕变绝大多数原因归结为温度超标。大功率晶闸管普遍采用双面压接安装方式,实现主电路的两极同时散热,热阻最小,散热效果最好,当工作电流大于500A时,采用双面压接散热是目前最可靠的方式。

 

晶闸管与DDS(T)的区别:DDS(T)为用于替代晶闸管的新一代半控型器件,其保留了晶闸管所有优点的同时,其克服了晶闸管驱动盲区、驱动电流大、驱动电路复杂的问题。

 

3 全控器件(晶体管)

图5  IGBT

全控器件是指通过控制极实现开通和关断控制的半导体器件,如IGBT(绝缘栅双极晶体管)。晶体管的典型优势是放大,但是在大功率变流技术及作为电开关应用中,由于放大区以及“擎住效应”等因素的存在几乎没有应用的可能。晶体管也可以作开关用,就是使之工作于饱和及截止状态,其优点是技术简单。

 

● IGBT等晶体管的过电流能力很低,和晶闸管对比,IGBT的过电流幅值为额定值的2倍,而晶闸管为15倍,仅不到晶闸管的1/10;而承受过流的时间IGBT仅为10us,晶闸管则为10ms,两者相差近1000倍,晶体管的过流幅值低、时间短给保护造成困难,使器件可靠性降低。

 

● 单管电流容量小。晶体管的制造工艺与晶闸管区别很大,目前还不能制造单管电流容量大于100A的器件,额定电流大于150A的IGBT解剖开,内部实际是数个单管为75A的单元并联,由于半导体器件的离散性,器件在串并联时将产生不均压和不均流,实现动态均压和均流更加困难,严格地讲,理想的均压和均流是无法实现的。基于IGBT的上述事实,大功率斩波应用至少要多管并联,产品的可靠性因此降低。

 

● 模块结构散热差。受工艺的约束,大功率IGBT只能制造成模块结构,与双面压接的晶闸管结构对比,模块结构只能单面散热,而且散热平面必须和器件电极相绝缘,本来单面散热就使散热不利,再加上绝缘产生的热阻,器件极容易失效。模块结构更为严重的问题是故障可能产生模块爆炸。

 

● 驱动隔离困难。尽管IGBT的驱动电路与信号电路实现了光电隔离,但是驱动电路和IGBT主电路仍然存在电气连接,没有任何隔离,这必将导致驱动电路遭受主电路的冲击和不利影响。

 

半导体器件的理论和实践表明,不控器件的可靠性最高(二极管),其次是半控器件[普通晶闸管、DDS(T)],再次是全控器件(晶体管及IGBT)。因此,要提高装置的可靠性,应该在实现电路功能的前提下,能采用二极管就不要用晶闸管或DDS(T),而能采用晶闸管、DDS(T)的就不要用晶体管(IGBT),而且在应用中,尽量避免半导体器件的串联或并联,否则产生的不均压和不均流将使装置的可靠性大为降低。

 

不应该单纯从理论上评价半导体器件的先进与否,更应该防止出于商务目的的炒作宣传。

 

不控器件、半控器件以及全控器件各有用途,应该根据实际电路需要去选择器件,不能盲目地认为全控器件可以取代其它器件,尤其在突出可靠性的产品上更要引起注意。