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整流器科普

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  整流器是一个整流装置,简单的说就是将交流(AC)转化为直流(DC)的装置。它有两个主要功能:第一,将交流电(AC)变成直流电(DC),经滤波后供给负载,或者供给逆变器;第二,给蓄电池提供充电电压。因此,它同时又起到一个充电器的作用。
  汽车发电机产生的交流电经过整流器整后变为直流电,但其波形仍然具有不规则的波动,直接影响了车辆点火的准确性;输出电压无法保持相对恒定,造成每次火花塞点火的能量差别,容易使车辆引擎抖动,出现换档顿挫、提速缓慢无力、怠速不稳以及车用空调效率低下等情形。从而大大降低了车载电器设备的性能和使用寿命;再加上高龄汽车的电路系统老化,电路阻阬变高的影响,对车辆的影响也就变得日益明显。电子整流器的作用是帮助车消除杂波干扰、稳定输出电压、提高电源系统的瞬间放电能力、增加扭力输出、加快油门反应、延长电池使用寿命、缩短汽车引擎启动时间、提高点火效率等,尤其是对小排量的车,效果比较明显。
  半导体PN结在正向偏置时电流很大,反向偏置时电流很小。整流二极管就是利用PN结的这种单向导电特性将交流电流变为直流的一种PN结二极管。通常把电流容量在1安以下的器件称为整流二极管,1安以上的称为整流器。常用的半导体整流器有硅整流器和硒整流器,产品规格很多,电压从几十伏到几千伏,电流从几安到几千安。整流器广泛用于各种形式的整流电源中。
  大功率整流电源要求整流器的电流容量大、击穿电压高、散热性能好,但这种器件的结面积大、结电容大,因而工作频率很低,一般在几十千赫以下。硅材料的禁带宽度较大,导热性能良好,适于制作大功率整流器件。在耐高压的整流装置中常采用高压硅堆,它由多个整流器件的管芯串联组成,其反向耐压由管芯的耐压及串联管芯数决定,最高耐压可达几百千伏。如果高频整流电路用于很高频率下,当交流电压的周期与整流器通态到关态的恢复时间相当时,整流器对高频电压不再起整流作用。为适应高频工作的需要,通常在硅整流器中采用掺金的方法,以缩短注入少数载流子的寿命,从而达到减小恢复时间的目的。
  为了减小器件因过压击穿造成损坏的可能性和提高整流装置的可靠性,可采用硅雪崩整流器。在这种器件中,当反向电压超过允许峰值时,在整个PN结上发生均匀的雪崩击穿,器件可工作在高压大电流下,故能承受相当大的反向浪涌功率。制作这种器件时要求材料缺陷少,电阻率均匀,结面平整,外露结区还应进行适当保护,避免发生表面击穿。硒整流器的抗过载容量大,承受反向浪涌功率的能力也较强。

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沙发
顶级领导者|  楼主 | 2014-8-6 15:19 | 只看该作者
晶闸管模块是晶体闸流管的简称,又可称做可控硅整流器,以前被简称为可控硅;1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品,并于1958年将其商业化;晶闸管是PNPN四层半导体结构,它有三个极:阳极,阴极和门极;晶闸管工作条件为:加正向电压且门极有触发电流;其派生器件有:快速晶闸管,双向晶闸管,逆导晶闸管,光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件,在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示(旧标准中用字母“SCR”表示)。晶闸管具有硅整流器件的特性,能在高电压、大电流条件下工作,且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

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板凳
顶级领导者|  楼主 | 2014-8-6 15:36 | 只看该作者
本帖最后由 顶级领导者 于 2014-8-6 16:22 编辑

上面为图1晶闸管、整流二极管桥臂模块和电桥模块内部电联接图

图290A/1600VDCB键合式晶闸管模块
(a)电原理图(b)结构示意图

图3260A/1400V压接式晶闸管模块结构示意图

图4移相触发系统原理框图

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地板
顶级领导者|  楼主 | 2014-8-6 15:51 | 只看该作者

图5晶闸管智能模块内部接线图
(a)三相集成移相调控晶闸管整流桥模块(b)单相集成移相调控晶闸管整流桥模块
(c)三相集成移相调控晶闸管交流开关模块(d)单相集成移相调控晶闸管交流开关模块
(e)带过零触发电路的三相晶闸管交流开关模块(f)带过零触发电路的单相晶闸管交流开关模块
3绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块
  上世纪80年代初,IGBT器件的研制成功以及随后其额定参数的不断提高和改进,为高频、较大功率应用的发展起到了重要作用。由于IGBT为电压型驱动,具有驱动功率小,开关速度高,饱和压降低,可耐高电压和大电流等一系列优点,表现出很好的综合性能,已成为当前在工业领域应用最广泛的电力半导体器件。其硬开关频率达25kHz,软开关频率可达100kHz。而新研制成的霹雳(Thunderbolt)型IGBT,其硬开关频率可达150kHz,在谐振逆变软开关电路中可达300kHz。
  目前,IGBT封装形式主要有塑封单管和底板与各主电极相互绝缘的模块形式,大功率IGBT亦有平板压接形式。由于模块封装形式对设计散热器极为方便,因此,被各器件生产大公司广泛采用。另一方面,IGBT生产工艺复杂,制造过程中要做十几次精细的光刻套刻,并经相应次数的高温加工,因此要制造大面积即大电流的IGBT单片,其成品率将大大降低。可是IGBT的MOS特性,使其更易并联,所以模块封装形式更适于制造大电流IGBT。起初由于IGBT工艺采用高阻外延片技术,电压很难突破2kV,因为要制造这样高电压的IGBT,外延厚度就要超过200微米,这在技术上很难,且几乎不能实用化。因此,1993年德国EUPEC公司研制成的1300A/3200VIGBT模块,就是由多个IGBT芯片串、并联制成,这种组合只是对大电流、高电压模块发展的一种尝试,对工业生产的实用价值不大。1996年日本多家公司采用(110)晶面的高阻硅单晶制造IGBT器件,硅片厚度超过300微米,使单片IGBT的耐压超过2.5kV,因此,同年东芝公司推出的1000A/2500V平板压接式IGBT器件就是由24个80A/2500V的芯片并联组成。1998年ABB公司采用在阳极侧透明P+发射层和n-缓冲层结构,使IGBT的耐压高达4.5kV[2],而该公司同年研发成的1200A/3300VIGBT模块就是由20个芯片并联制成。此后,非穿通(NPT)和软穿通(SPT)结构IGBT的试制成功,使IGBT器件具有正电阻温度系数,更易于并联,这为高电压、大电流IGBT模块的制造只需并联无需串联创造了技术基础。目前,已能批量生产一单元、二单元、四单元、六单元和七单元的IGBT标准型模块,其最高水平已达到1800A/4500V。图6为300A/1700VIGBT模块的电路图和简略结构示意图,它是由4个160A/1700VIGBT芯片和8个100A/1700V快恢复二极管组成。
IGBT芯片的集电极和快恢复二极管的阴极都直接焊在DCB板陶瓷基板上,然后用铜电极引出,DCB基板再与铜底板相焊,以便散热。IGBT的发射极、栅极以及快恢复二极管的阳极都用铝丝键合在DCB板上,然后再用铜电极引出,模块采用RTV硅橡胶、硅凝胶和环氧树脂密封保护,又加芯片本身PN结已有玻璃钝化保护,因此,能达到防潮、防震、防有害气体侵袭,使模块性能稳定可靠。但是,这种把IGBT芯片焊在一个平面上,芯片之间采用超声键合或热压焊的方法相联,由于器件在高di/dt和dv/dt下进行开和关,很容易产生高的电磁场,导致键合线(铝丝)之间由于邻近效应,使电流在导线内分布不均匀,并产生寄生振荡和噪音,导致键合线损坏,或使键合点脱落,造成IGBT模块失效。为此,已研制出在钼片表面键合一层铝,钼面与IGBT或快恢复二极管相焊,而铝丝键合在钼片表面的键合铝层上[3],以降低键合处的应力,进一步改善了IGBT模块工作的可靠性。


  4IGBT智能模块
  由于MOS结构的IGBT是电压驱动的,因此驱动功率小,并可用集成电路来实现驱动和控制,进而发展到把IGBT芯片,快速二极管芯片,控制和驱动电路,过压、过流、过热和欠压保护电路、箝位电路以及自诊断电路等封装在同一绝缘外壳内的智能化IGBT模块(IPM),它为电力电子逆变器的高频化、小型化、高可靠性和高性能创造了器件基础,亦使整机设计更简化,整机的设计、开发和制造成本降低,缩短整机产品的上市时间。由于IPM均采用标准化的具有逻辑电平的栅控接口,使IPM能很方便与控制电路板相连接。IPM在故障情况下的自保护能力,降低了器件在开发和使用中损坏的几率,大大提高了整机的可靠性。图7和图8分别为IPM保护的功能框图和结构图。图中IPM内置的保护功能允许IGBT避免因控制失灵和应力过大而损坏的前提下,最大限度地利用IGBT器件的容量,而且其中任一种保护动作,IGBT栅极驱动单元就会被关断,并输出一个故障信号FO。由于采用RTC电路的实时电流控制功能来抑制短路电流,所以能实现短路的安全切断。过电压箝位保护,改变了过去过压保护用外插入吸收电路的办法,解决了吸收电路存在的损耗问题。IPM中采用带有电流传感器的IGBT芯片,这一电流实时监控技术能高效迅速检测过电流和短路电流,并采用逐步降栅压的软关断技术,大大降低了关断大电流而引发的浪
涌电压。在靠近IGBT芯片的绝缘基板(DCB板)上安装有一个温度传感器,进行芯片温度检测,若基板温度超过热动作数值,则内部封锁栅极驱动脉冲,并输出故障信号FO,此法解决了热敏法无法解决的检测短时通电温升问题。图8中栅极驱动和控制电路则做在一块带有特殊防电磁干扰保护层的多层PCB上,放在功率器件上面。DCB陶瓷衬底板可提供更大的载流能力,具有更好的散热性能。目前市场上已能批量供应800A/1200VIPM,其最高水平已达到1200A/1800V和1600A/1500V的通用和专用IPM模块。

图6300A/1700VIGBT模块
(a)电路图(b)简略结构示意图

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biechedan| | 2014-8-18 00:14 | 只看该作者
这么多呢

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6
biechedan| | 2014-8-18 00:14 | 只看该作者
谢谢分享 的

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