功率半导体器件是电力电子技术及其应用装置的基础,是推动电力电子变换器发展的主要源泉。功率半导体器件处于现代电力电子变换器的心脏地位,它对装置的可靠性、成本和性能起着十分重要的作用。40年来,普通晶闸管(Thyristor,SCR)、门极关断晶闸管(GTO)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)先后成为功率半导体器件的发展平台。能称为“平台”者,一般是因为它们具备以下几个特点:①长寿性,即产品生命周期长;②渗透性,即应用领域宽;③派生性,即可以派生出多个相关新器件家属。
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(几W到几kW),如笔记本电脑、冰箱、洗衣机、空调等;中功率范围(10kW到几MW),如电气传动、新能源发电等;大功率范围(高达几GW),如高压直流(HVDC)输电系统等。
电力电子变换器的应用领域越来越广泛,同时也对功率半导体器件提出了更高的性能需求。继前些年推出集成门极晶闸管(IGCT)和电子注入增强型栅极晶体管(IEGT)后,如今采用碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)材料的新型功率器件已经应运而生。目前,功率半导体的发展主要是其功率承受能力和开关频率之间的矛盾,往往功率越大,耐压越高,允许的开关频率就越低。从功率半导体器件的个体来说,大功率和高频化仍是现阶段发展的两个重要方向。
功率半导体器件应用需要考虑大功率电路应用的特性,如绝缘、大电流能力等,在实际应用中,以动态的“开”和“关”为运行特征,一般不运行在放大状态。由功率半导体器件构成的电力电子变换器实施的是电磁能量转换,而不是单纯的开/关状态,它的很多非理想应用特性在电力电子变换器中起着举足轻重的作用。要用好功率半导体器件,既要熟悉电力电子变换器的拓扑,更要充分掌握器件本身的特性。
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