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常见的几种功率半导体器件有哪些?

众所周知,电力设备是电子设备中电能转换和电路控制的核心。它利用半导体单向导电的特性,改变电子设备中的电压、频率、相位和直流交流转换功能。根据可控性和其他使用因素,电力设备分为多种类型,其中常见的分类包括:

MOS控制晶闸管MCT(MOS Controlled Thyristor)

MCT是一种新型MOS双极复合装置。MCT是将MOSFET高阻抗、低驱动图MCT结合晶闸管的高压、大电流特性,形成大功率、高压、快速全控装置。MCT是一个MOS门极控制的晶闸管。它可以在门极上加入一个狭窄的脉冲来导致或关闭,它由无数的单胞并联而成。

IGCT集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors)

IGCT结合晶闸管技术IGBT和GTO技术开发的新型设备具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、导流损耗低等特点。是一种用于巨型电力电子设备的新型电力半导体设备,适用于高压大容量变频系统,成本低,成品率高,应用前景好。

IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起,再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接,结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。在导通阶段发挥晶闸管的性能,关断阶段呈现晶体管的特性。

集成电力电子模块IPEM(Intergrated Power Elactronics Modules)

IPEM是集成电力电子设备多个设备的模块。首先是半导体器件MOSFET,IGBT或MCT用二极管芯片包装形成积木单元,然后将这些积木单元迭装在高电导率绝缘陶瓷衬底上,依次为铜基板、氧化铍瓷片和散热器。控制电路、门极驱动、电流、温度传感器和保护电路集成在积木单元的上部。

IPEM实现了电力电子技术的智能化和模块化,大大降低了电路接线统噪声和寄生振荡,提高了系统的效率和可靠性。

电力电子积木PEBB(Power Electric Building Block)

PEBB是在IPEM可处理电能集成的设备或模块是在此基础上开发的。PEBB它不是一种特定的半导体装置,是根据最佳电路结构和系统结构设计的不同装置和技术的集成。

除功率半导体装置外,还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源装置。PEBB通过这两个接口,有能量接口和通信接口PEBB它可以形成电力电子系统。这些系统可以像小系统一样DC-DC转换器和大型分布式电力系统一样简单。

在一个系统中,PEBB数量可以从一个到任何多个。PEBB可完成电压转换、能量储存转换、阴抗匹配等系统级功能,PEBB最重要的特点是它的通用性。

电子注入增强栅晶体管IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)

IEGT是耐压达4kV以上的IGBT一系列电力电子设备通过增强注入结构实现了低通态电压,使大容量电力电子设备实现了飞跃式发展。IEGT具有作为MOS一系列电力电子设备的潜在发展前景具有低损耗、高速运行、高压、智能有源网驱动、沟槽结构和多芯片并联自均流的特点,具有进一步扩大电流容量的潜力。此外,许多衍生产品也可以通过模块包装提供,在大中容量变换器的应用中寄予厚望。

超大功率晶闸管

晶闸管(SCR)自问世以来,其功率容量增加了近3000倍。近十年来,由于自关断器件的快速发展,晶闸管的应用领域有所缩小。然而,由于其高电压和高电流特性,它正在发展HVDC、静止无功补偿(SVC)、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍占有十分重要的地位。

该装置独特的结构和工艺特点是:门-阴极周边长,交织高度,门极面积占芯片总面积的90%,而阴极面积仅占10%;基区空穴-电子寿命长,门-阴极的水平距离小于扩散长度。上述两种结构特性保证了该装置在开启时可以100%应用阴极面积。此外,该装置的阴极电极采用较厚的金属层,能承受瞬时峰值电流。

高功率沟槽栅结构IGBT(TrenchIGBT)模块

当今高功率IGBT模块中的IGBT元胞通常使用沟槽栅结构IGBT。与平面栅结构相比,沟槽栅结构通常采用1μm加工精度大大提高了元胞密度。由于门极沟的存在,消除了平面格栅结构装置中相邻元胞之间形成的结体管效应,并引入了一定的电子注入效应,降低了导电阻。为增加长基区厚度和设备耐压性创造条件。因此,近年来出现了高耐压大电流IGBT所有设备都采用这种结构。

碳化硅和碳化硅(SiC)功率器件

碳化硅是由新型半导体材料制成的功率设备中最有希望的(SiC)功率器件。与其他半导体材料相比,碳化硅具有以下优良的物理特性:高禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿强度、低介电常数和高导热性。这些优良的物理特性决定了碳化硅是高温、高频、高功率应用中理想的半导体材料。

在相同的耐压和电流条件下,SiC即使高耐压,装置漂移区的电阻也比硅低200倍SiC场效应管的导通压降也远低于单极和双极硅装置。而且,SiC设备的开关时间可达10nS量级,非常优越FBSOA。SiC各种高频整流器可用于制造射频和微波功率器件,MESFETS、MOSFETS和JFETS等。

以上是常见的功率半导体设备。电力电子变换器的功率等级覆盖范围非常广泛,包括小功率范围:如笔记本电脑、冰箱、洗衣机、空调等;电气传动、新能源发电等。;大功率范围:如高压直流传输系统,技术的发展也对功率半导体设备提出了越来越高的性能要求。

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