电力电子器件（Power Electronic Device），又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能驾御电途中的大功率（通俗指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）电子器件。可能分为半控型器件、全控型器件和弗成控型器件，此中晶闸管为半控型器件，秉承电压和电流容量正在全部器件中最高；电力二极管为弗成控器件，构造和道理纯洁，事情牢靠；还可能分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，此中GTO、GTR为电流驱动型器件，IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。

　　MCT 是一种新型MOS 与双极复合型器件。如上图所示。MCT是将 MOSFET 的高阻抗、低驱动图 MCT 的功率、疾开闭速率的特质与晶闸管的高压、大电流特型连系正在一块，造成大功率、高压、火速全控型器件。实际上MCT 是一个MOS 门极驾御的晶闸管。它可正在门极上加一窄脉冲使其导通或闭断，它由众数单胞并联而成。它与GTR，MOSFET， IGBT，GTO 等器件比拟，有如下益处：

　　（1）电压高、电流容量大，阻断电压已达3 000V，峰值电流达1 000 A，最大可闭断电流密度为6 000kA/ m2；

　　（4）开闭速率疾， 开闭损耗小，开通时代约200ns，1 000 V 器件可正在2 s 内闭断；

　　IGCT 是正在晶闸监工夫的本原上连系 IGBT 和GTO 等工夫开垦的新型器件，合用于高压大容量变频编制中，是一种用于巨型电力电子成套装备中的新型电力半导体器件。

　　IGCT 是将GTO 芯片与反并联二极管和门极驱动电途集成正在一块，再与其门极驱动器正在外围以低电感办法维系，连系了晶体管的安靖闭断材干和晶闸管低通态损耗的益处。正在导通阶段阐述晶闸管的功能，闭断阶段闪现晶体管的特质。IGCT 芯片正在不串不并的情景下，二电平逆变器功率0.5~ 3 MW，三电平逆变器 1~ 6 MW；若反向二极管辞别，不与IGCT 集成正在一块，二电平逆变器功率可扩至4 /5 MW，三电平扩至 9 MW。

　　目前，IGCT 曾经商品化， ABB 公司成立的 IGCT 产物的最高功能参数为4［1］ 5 kV / 4 kA ，最高研制秤谌为6 kV/ 4 kA。1998 年，日本三菱公司也开垦了直径为88 mm 的GCT 的晶闸管IGCT 损耗低、 开闭火速等益处保障了它能牢靠、突出力地用于300 kW~ 10 MW 变流器，而不必要串联和并联。

　　IEGT 是耐压达 4 kV 以上的 IGBT 系列电力电子器件，通过接纳加强注入的构造实行了低通态电压，使大容量电力电子器件赢得了奔腾性的兴盛。IEGT 具有行为MOS 系列电力电子器件的潜正在兴盛前景，具有低损耗、高速手脚、高耐压、有源栅驱动智能化等特色，以及采用沟槽构造和众芯片并联而自均流的特质，使其正在进一步放大电流容量方面颇具潜力。其它，通过模块封装办法还可供给浩瀚派出产品，正在大、中容量变换器行使中被寄予厚望。日本东芝开垦的 IECT 欺骗了电子注入加强效应，使之兼有 IGBT 和 GTO 两者的益处： 低饱和压降，太平事情区（接收回途容量仅为 GTO 的非常之一支配） ，低栅极驱动功率（比 GT O 低两个数目级）和较高的事情频率。器件采用平板压接式电机引出构造，牢靠性高， 功能曾经抵达4.5 kV/ 1 500A 的秤谌。

　　IPEM 是将电力电子装备的诸众器件集成正在一块的模块。它开始是将半导体器件MOSFET， IGBT或MCT 与二极管的芯片封装正在一块构成一个积木单位，然后将这些积木单位迭装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上，正在它的下面依序是铜基板、氧化铍瓷片和散热片。正在积木单位的上部，则通过外貌贴装将驾御电途、门极驱动、电流和温度传感器以及掩护电途集成正在一个薄绝缘层上。IPEM 实行了电力电子工夫的智能化和模块化，大大消浸了电途接线电感、编制噪声和寄生振荡，升高了编制出力及牢靠性

　　电力电子积木PEBB （ Pow er Elect ric Building Block ） 是正在IPEM 的本原上兴盛起来的可统治电能集成的器件或模块。PEBB 并不是一种特定的半导体器件，它是按照最优的电途构造和编制构造策画的分歧器件和工夫的集成。典范的PEBB 上图所示。固然它看起来很像功率半导体模块，但PEBB 除了网罗功率半导体器件外，还网罗门极驱动电途、电平转换、传感器、掩护电途、电源和无源器件。PEBB 有能量接口和通信接口。 通过这两种接口，几个PEBB 可能构成电力电子编制。这些编制可能像小型的DC- DC 转换器一律纯洁，也可能像大型的散布式电力编制那样庞杂。一个编制中， PEBB的数目可能从一个到纵情众个。众个 PEBB 模块一块事情可能达成电压转换、能量的贮存和转换、阴抗成家等编制级效力，PEBB 最厉重的特色便是其通用性。

　　晶闸管（SCR）自问世以还，其功率容量升高了近3000倍。现正在很众邦度已能安靖出产8kV / 4kA的晶闸管。日本现正在已投产8kV / 4kA和6kV / 6kA的光触发晶闸管（LTT）。美邦和欧洲首要出产电触发晶闸管。近十几年来，因为自闭断器件的飞速兴盛，晶闸管的行使规模有所缩小，然则，因为它的高电压、大电流特质，它正在HVDC、静止无功抵偿（SVC）、大功坦白流电源及超大功率和高压变频调速行使方面仍占领非常厉重的职位。估计正在此后若干年内，晶闸管仍将正在高电压、大电时髦使园地取得赓续兴盛。

　　现正在，很众出产商可供给额定开闭功率36MVA （ 6kV/ 6kA ）用的高压大电流GTO。古代GTO的典范的闭断增量仅为3～5。GTO闭断时候的不屈均性惹起的“挤流效应”使其正在闭断时候dv/dt务必局限正在500～1kV/μs。为此，人们不得不应用体积大、腾贵的接收电途。其它它的门极驱动电途较庞杂和恳求较大的驱动功率。到目前为止， 正在高压（VBR 》 3.3kV ）、大功率（0.5～20 MVA）牵引、工业和电力逆变器中行使得最为众数的是门控功率半导体器件。目前，GTO的最高筹议秤谌为6in、6kV / 6kA以及9kV/10kA。为了知足电力编制对1GVA以上的三相逆变功率电压源的必要，近期很有能够开垦出10kA/12kV的GTO，并有能够处置30众个高压GTO串联的工夫，可望使电力电子工夫正在电力编制中的行使方面再上一个台阶。

　　该器件出格合用于传送极强的峰值功率（数MW）、极短的陆续时代（数ns）的放电闭合开闭行使园地，如：激光器、高强度照明、放电燃烧、电磁发射器和雷达调制器等。该器件能正在数kV的高压下火速开通，不必要放电电极，具有很长的应用寿命，体积小、价值对照低，可望庖代目前尚正在行使的高压离子闸流管、引燃管、火花间隙开闭或真空开闭等。

　　该器件奇异的构造和工艺特色是：门-阴极周界很长并造成高度交错的构造，门极面积占芯片总面积的90%，而阴极面积仅占10%；基区空穴-电子寿命很长，门-阴极之间的秤谌间隔小于一个扩散长度。上述两个构造特色确保了该器件正在开通刹时，阴极面积能取得100%的行使。其余，该器件的阴极电极采用较厚的金属层，可秉承瞬时峰值电流。

　　此刻已有两种通例GTO的取代品：高功率的IGBT模块、新型GTO派生器件-集成门极换流IGCT晶闸管。IGCT晶闸管是一种新型的大功率器件，与通例GTO晶闸管比拟，它具有很众优异的特质，比如，不消缓冲电途能实行牢靠闭断、存贮时代短、开通材干强、闭断门极电荷少和行使编制（网罗全部器件和外围部件如阳极电抗器弛缓冲电容器等）总的功率损耗低等。

　　当今高功率IGBT模块中的IGBT元胞通俗众采用沟槽栅构造IGBT。与平面栅构造比拟，沟槽栅构造通俗采用1μm加工精度，从而大大升高了元胞密度。因为门极沟的存正在，歼灭了平面栅构造器件中存正在的相邻元胞之间造成的结型场效应晶体管效应，同时引入了必然的电子注入效应，使得导通电阻降落。为补充长基区厚度、升高器件耐压制造了要求。因而近几年来显现的高耐压大电流IGBT器件均采用这种构造。

　　1996年日本三菱和日立公司分辨研制获胜3.3kV/1.2kA 重大容量的IGBT模块。它们与通例的GTO比拟，开闭时代缩短了20%，栅极驱动功率仅为GTO的1/1000。1997年富士电机研制获胜1kA/2.5kV平板型IGBT，因为集电、发射结采用了与GTO似乎的平板压接构造，采用更高效的芯片两头散热办法。出格蓄志义的是，避免了大电流IGBT模块内部巨额的电极引出线，升高了牢靠性和减小了引线电感，错误是芯单方积欺骗率降落。因而这种平板压接构造的高压大电流IGBT模块也可望成为高功率高电压变流器的优选功率器件。

　　近年来，日本东芝公司开垦了IEGT，与IGBT一律，它也分平面栅和沟槽栅两种构造，前者的产物即将问世，后者尚正在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO两者的某些益处：低的饱和压降，宽的太平事情区（接收回途容量仅为GTO的1/10支配），低的栅极驱动功率（比GTO低2个数目级）和较高的事情频率。加之该器件采用了平板压接式电极引出构造，可望有较高的牢靠性。

　　与IGBT比拟，IEGT构造的首要特色是栅极长度Lg较长，N长基区近栅极侧的横向电阻值较高，所以从集电极注入N长基区的空穴，不像正在IGBT中那样，就手地横向通过P区流入发射极，而是正在该区域造成一层空穴堆集层。为了保留该区域的电中性，发射极务必通过N沟道向N长基区注入巨额的电子。如许就使N长基区发射极侧也造成了高浓度载流子堆集，正在N长基区中造成与GTO中似乎的载流子散布，从而较好地处置了大电流、高耐压的抵触。目前该器件已抵达4.5kV /1kA的秤谌。

　　MOS门极驾御晶闸管充塞地欺骗晶闸管精良的通态特质、优异的开通和闭断特质，可望具有优异的自闭断动态特质、极端低的通态电压降和耐高压，成为另日正在电力装备和电力编制中有兴盛前程的高压大功率器件。目前寰宇上有十几家公司正在踊跃发展对MCT的筹议。 MOS门控晶闸管首要有三种构造：MOS场控晶闸管（MCT）、基极电阻驾御晶闸管（BRT）及射极开闭晶闸管（EST）。此中EST能够是 MOS门控晶闸管中最有指望的一种构造。然则，这种器件要真正成为贸易化的适用器件，抵达庖代GTO的秤谌，还必要相当长的一段时代。

　　跟着变换器开闭频率的延续升高，对疾克复二极管的恳求也随之升高。家喻户晓，具有比硅二极管卓越的高频开闭特质，然则因为工艺工夫等方面的道理，砷化镓二极管的耐压较低，实践行使受到局部。为适当高压、高速、突出力和低EMI行使必要，高压砷化镓高频整流二极管已正在Motorola 公司研制获胜。与硅疾克复二极管比拟，这种新型二极管的明显特色是：反向泄电流随温度转变小、开闭损耗低、反向克复特质好。

　　正在用新型半导体资料制成的功率器件中，最有指望的是碳化硅 （ SiC ） 功率器件。它的功能目标比砷化镓器件还要高一个数目级，碳化硅与其他半导体资料比拟，具有下列优异的物理特色： 高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速率，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率。上述这些优异的物理特质，决心了碳化硅正在高温、高频率、高功率的行使园地是极为理念的半导体资料。正在同样的耐压和电流要求下，SiC器件的漂移区电阻要比硅低200倍，纵然高耐压的 SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低得众。并且，SiC器件的开闭时代可达10nS量级，并具有非常卓越的 FBSOA。

　　SiC可能用来成立射频和微波功率器件，百般高频整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。SiC高频功率器件已正在Motorola公司研发获胜，并行使于微波和射频装备。GE公司正正在开垦SiC功率器件和高温器件（网罗用于喷气式引擎的传感器）。西屋公司曾经成立出了正在26GHz频率下事情的甚高频的MESFET。ABB公司正正在研制高功率、高电压的SiC整流器和其他SiC低频功率器件，用于工业和电力编制。

　　跟着电力电子工夫的延续兴盛，变频调速工夫日益成熟，通用变频器取得了缓慢兴盛，百般品牌的变频器正在自控规模的各行各业都取得了渊博的行使。但正在少许有爆炸性气体和粉尘对照众的地方（煤矿焦化厂部瓦解工场）变频器还没有取得充塞的行使，究其道理首要是这些地方的变频器必要防爆，而这种变频器现正在商场上还未睹成熟产物。按照上述情景，咱们山东光景电子有限公司与大屯煤电（集团）有限公司连结开垦研制获胜了矿用防爆变频器，该产物曾经过相闭部分判定，现已正在大屯煤矿正式投产应用。

　　变频器驾御片面网罗CPU驾御器、IGBT驱动电途、电流检测电途、电压检测电途、掩护电途、操作显示电途。其驾御道理框图如下：

　　3、变频器所用首要元件都是选用寰宇著名公司出产的名牌产物，功能优异，质地牢靠。

　　（1） 逆变器片面选用德邦西门子公司的IGBT模块，该模块饱和压将低，母线电感小，开闭频率高，构造纯洁，安设便利。

　　（2） CPU驾御器选用美邦Intel公司的87C196MC单片机，该芯片效力完备，运算速率疾，是一种高功能的CHMOS 16位单片机，它功耗小，除寻常事情外还可能事情于2种节电办法：待机办法和掉电办法。它内部有一个波形发作器，可能输出2组互补的3相PWM信号，出格应用于电机驾御编制。

　　（3） 驱动电途采用日本三菱公司的M57959L专用驱动模块，该模块驱动功率大，信号远离强，集成化水准高，功能优异，应用便利。

　　因为该变频器所应用的处境有爆炸性气体或粉尘较众，这就恳求变频器密封防爆，因而它的外壳不行用平淡的壳体，必定用圭臬的防爆腔，把变频器全部的元件都装正在防爆腔内。正在防爆腔门上开一个考察窗，把显示片面装正在上面，把启动、放手、调速驾御装正在防爆腔门上。

　　因为变频器的全部元件都装正在防爆腔内，气氛不行活动，散热题目成为该变频器所要处置的症结题目。正在这里咱们采用了一种新的散热工夫-热管散热工夫。

　　热管是一种具有极高导热功能的传热元件，它通过正在全紧闭真空管内工质的蒸发与固结来传达热量，具有极高的导热性、精良的等温性、冷热两侧的传热面积可纵情变更、可远间隔传热、可驾御温度等一系列益处。由热管构成的换热用具有传热出力高、构造紧凑、流体阻损小等益处。

　　咱们将主回途策画成一个大单位，安设正在长方形防爆腔内后壁，后壁上通过一个太甚散热器与IGBT模块、整流模块等发烧元件接合，防爆外壳外壁加焊槽形散热器，太甚散热器与槽形散热器通过热管相维系。变频器内部出现的热量就通过防爆腔后壁 太甚散热器 热管 槽形散热器发放出去。

　　避免因延时继电器手脚时出现电火花形成的担心全身分，补充了变频器的太平牢靠性。

　　电解电容体积大，高温处境下易爆炸，担心全；而无感电容体积小，耐高温、高压，正在这种处境下行使极端太平。

　　防爆变频器研制获胜，加添了变频器行使行业的一项空缺。当然，咱们还将正在构造、工艺、效力等方面进一步完备，把防爆变频器做的更完好，更牢靠，更完备。自负不远的另日防爆变频器正在主动化规模内会有一个璀璨的天空