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电力电子技术的新动向

EDN China?? 2003年08月12日 ?? 收藏0

流电或脉动电(III),在某些场合下,还需要将它再转换成直流(IV)。这些环节可由图一表示:

电力半导体器件分成四大类


??????? (I) 第一部分称为输入整流。

由于中小功率装置的蓬勃发展,整流元件(包括晶闸管)有塑封化,表面贴装化和桥式化的趋势。其原因无非是减小体积,因而出现了许多新的包装形式。除了常规的TO-220,TO-247(TO-3P)等封装外,近年来发展的SMD-10是市场上最大的表面贴装塑封包装。用它作电机驱动时配合IMS工艺(铝板上加绝缘层)可达到10KW的功率。作为半导体芯片来说,为配合塑封工艺,芯片的表面钝化常是必须的,有很长历史的成本低廉的玻璃钝化的方芯片又变得更为普及。

???????在输入这一级,除了整流而外,通常还有输入限流、功率因素调整等环节。由于前面提到的新一代功率MOSFET工艺,极低的正向电阻使MOSFET 可用于限流电路中。如图二所示。功率因素控制中也会用到两个MOSFET(如图三)。从这个意义来说,MOSFET也属于输入级的元件。这些在图一中还没有表达出来。从上面的讨论可以理解到,输入整流最近的新趋势将是智能化。即设法把减小电磁干扰、改善功率因素、软启动等功能组合在输入整流器内。

极低的正向电阻使MOSFET 可用于限流电路中;功率因素控制中也会用到两个MOSFET(如图三)

?????? (II) 第二部份的控制元件,已有许多专门的控制集成电路(Control IC简称CIC)出现。用于触发功率MOSFET或IGBT有时也称为MOS栅极驱动器MGD。由于CIC和主回路在一起工作,所以需耐受高压,因而有时也称为高压集成电路(HVIC)或功率集成电路(Power IC,简称PIC)。

??????? 对功率集成电路而言,不同应用、不同电路需要采用不同的器件。因而功率集成电路就某种程度也属于用户专用电路,当然作为生产厂来说,它必须选择有较大市场的电路,才有价值去进行发展。

??????? 就功率集成电路(PIC)而言,还包括另一种元件称为SMARTFET,即是带有智能的MOSFET,这种元件在汽车电子中颇为重要。SMARTFET和一般的CIC不同,它不是一种触发用元件,而是一种具有自保护功能的功率MOSFET。它既是一个功率器件,也是一个单片集成电路。从制造工艺来说,功率MOSFET,IGBT,PIC及常规的IC,都属于微电子工艺。虽然有的器件功率很大。

??????? 上节提到过的微电子继电器(MER),实际上也属于微电子集成电路,它将固态继电器(SSR)的功能尽力以单个芯片或少数几个芯片来完成。有人把它称为第三代固态继电器。它通常包括光电耦合,控制电路和作为主部件的MOSFET或者晶闸管。采用晶闸管作为主部件的称为单片开关Chipswitch。采用MOSFET作主部件的,称为光伏打继电器PhotoVoltaicRelay(PVR) 。上面已讲到,由于PVR可采用第五代的MOSFET工艺,因而其通态电阻已可低于机械接点。它们在通信,便携式电器中找到了越来越多的应用。

?????? 在图一中,我们把SMARTFET及MER放在第五类。这是强调了它和CIC应用的区别。

?????? (III) 第三部分逆变用器件其主体是功率MOSFET和IGBT。MOSFET的优越的高频开关特性,无疑是一种理想的逆变用器件。但多子器件也有它的缺点,即高压MOSFET的正向电阻很大。因而就诞生了绝缘栅双极型晶体管IGBT,由于它比MOSFET多一个PN结,因此本质上是个双极型晶体管。这个附加的PN结注入少子就改善了通态特性。IGBT的电压可做得很高,但目前较普及的仍在600-1200伏左右。功率MOSFET(在IR公司称为HEXFET)和IGBT,都是通过原胞的周界来输送电流的。周界越长,其通态电阻就越小。因而它们有一共同趋势是增加原胞的密度,因为增加了单位面积内的原胞其总周界长度自然增大。从制造工艺来说,也就是说更为精密。这就是大家经常听说的微米或亚微米技术。新一代的MOS器件,与超大规模集成电路的工艺已经很少区别。下表列示了IR公司前五代每平方厘米原胞数的进展。其工艺的精细性就可想而知了。当前的另一工艺趋势是采用沟槽技术(trench)来减小正向电阻。这是因为该结构减小了寄生结


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电力电子? 电源? 功率?

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