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功率器件范文第1篇

大功率器件、模塊或超大規(guī)模集成電路在工作過程中有較大的損耗，產(chǎn)生大量的熱量使器件或模塊的溫度升高，若不采取冷卻措施，器件的管芯的溫度會超過硅片的結(jié)溫溫度(150℃左右)，管芯會因過熱而燒毀。因此，大功率器件、模塊、超大規(guī)模集成電路要根據(jù)其發(fā)熱的情況采取各種不同的冷卻措施以保證其安全工作。

近年來，不少大功率器件在封裝上由穿孔式改成貼片式，這使傳統(tǒng)的散熱、冷卻的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而開發(fā)出不少新型冷卻裝置及新型溫度檢測及風(fēng)扇控制集成電路。這使電路工作更安全、減少噪聲及更節(jié)能。

本文介紹一些散熱器、冷卻風(fēng)扇及風(fēng)扇控制器集成電路的應(yīng)用。

器件的熱量產(chǎn)生

集成電路是由許多三極管、二極管及電阻等小元器件組成的。每一個小元器件在工作時都有一些損耗。例如，三極管在線性范圍工作時，其損耗為Vce×Ic；二極管在工作時，其損耗為VF×IF。這些損耗都轉(zhuǎn)化成熱量，是熱量產(chǎn)生的原因。

集成度低的IC，損耗小，發(fā)熱量不大。所產(chǎn)生的熱量還可以通過封裝材料或金屬引腳傳到空氣中和印制板的敷銅走線上，溫升不大，無須采用任何冷卻措施。

如果是超大規(guī)模集成電路，并且工作在很高頻率時，其損耗是很大的。如現(xiàn)代的高速臺式計算機或服務(wù)器的核心器件CPU，它在工作時會產(chǎn)生大量的熱量，使管芯溫度很快升到150℃以上，往往需要用帶有風(fēng)扇的專用散熱器來冷卻。如果在CPU上拿掉帶風(fēng)扇的專用散熱器，則CPU會在數(shù)分鐘內(nèi)冒煙、燒毀。

有一些大功率器件或模塊(如大功率運算放大器、固態(tài)繼電器)，雖然其集成度不高，但若工作于高電壓、大電流狀態(tài)，其自身的功耗也是很大的，即使是大功率三極管、功率MOSFET或IGBT一類分立器件，如果在高頻率、高電壓、大電流工作條件下，也會產(chǎn)生較高的溫度而需要采取合適的冷卻措施。

發(fā)熱與冷卻是一對矛盾。在產(chǎn)品設(shè)計中盡量選用功耗低的器件，但不可避免地還有不少會產(chǎn)生大量熱量的器件，則要進行熱計算、設(shè)計散熱結(jié)構(gòu)。這往往會影響到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、外形尺寸大小，其設(shè)計的好壞還會影響產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)成本。

常用的冷卻措施

常用的冷卻措施有加散熱器、冷卻風(fēng)扇、熱電冷卻器、水冷卻器。它們的特點及應(yīng)用如表1所示。

在臺式電子設(shè)備中，應(yīng)用最廣的冷卻措施是散熱器和散熱器加冷卻風(fēng)扇。

散熱器及其應(yīng)用實例

這里將介紹一些散熱器及其應(yīng)用實例。

1．多個散熱器的應(yīng)用實例

在電子設(shè)備中往往有多個功率器件，其發(fā)熱量不同，往往采用不同尺寸、結(jié)構(gòu)的散熱器。圖1是一個臺式計算機中的開關(guān)電源(輸入功率770W)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它有3個散熱器(1～3)。1上安裝了一個功率器件，而2、3上各安裝了3個功率器件。散熱器2的功率器件安裝情況如圖2所示。

由于該電源僅用散熱器尚不足達到散熱目的，還需采用冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的強氣流來加強散熱，如圖1上部所示(主要冷卻散熱器2)。

2．大型型材散熱器大型型材散熱器如圖3所示。上圖為輸出100W的AC／DC變換器，下圖為50W的AC／DC變換器。

3．小尺寸功率器件及小型功率模塊的散熱器

貼片式封裝尺寸要比同型號DIP封裝的尺寸小得多，不能像CPU一樣在頂部加一個小型散熱器(其散熱效果也不佳)。但不少貼片式功率器件在器件底部有的散熱墊(如圖4所示)，它與PCB的大面積地

線連接可達到散熱效果。有的器件用增加引腳的方式使熱量從引腳傳到印制板達到散熱的目的。為了更進一步散熱，往往在PCB的底部加一塊鋁板或散熱器實現(xiàn)冷卻、散熱，如圖5所示。

冷卻風(fēng)扇

冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生強氣流將散熱器的熱量排出機箱以達到冷卻的目的。冷卻風(fēng)扇有交流或直流供電(交流為市電)，直流供電時有不同的工作電壓(如5V、9V、12V、24V等)，根據(jù)不同的氣流量其外型尺寸不同、耗電也不問。

一般常用的是直流軸流型無刷電機組成的冷卻風(fēng)扇，其形狀為正方形，尺寸為16mm×16mm～120mm×120mm，其轉(zhuǎn)速從幾千個rpm到上萬rpm(小型磁懸浮軸承風(fēng)扇)，氣流量從零點幾個CFM到幾十個CFM。選擇風(fēng)扇時還要注意噪聲大小及工作壽命。

當電子設(shè)備要求較大的氣流量時，則要選一臺大尺寸的風(fēng)扇，往往采用2-3臺小尺寸的風(fēng)扇來代替大尺寸風(fēng)扇，這樣可以減小機箱的高度尺寸。

近年來，冷卻風(fēng)扇也不斷地改進。例如，為增加轉(zhuǎn)速、減小噪聲、提高壽命(風(fēng)扇損壞往往是軸承損壞開始)，開發(fā)了磁懸浮軸承的冷卻風(fēng)扇，小尺寸的冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可達17000rpm。為適用于便攜式設(shè)備的冷卻，開發(fā)出低功耗、超小型冷卻風(fēng)扇。如型號為F16EA的直流無刷冷卻風(fēng)扇，其尺寸為16mm×16mm×4mm，重1．3g，工作電壓3．3V，電流0．02A，氣流量為0．43CFM，其噪聲甚小，僅4dBa。適合于電池供電的便攜式設(shè)備用，其外形如圖6所示。

一種尺寸較大的San Acc 120直流冷卻風(fēng)扇，其工作電壓有12V、24V及48V三種，尺寸為120mm×120mm×38mm，在60℃溫度下平均壽命為40000小時，并有轉(zhuǎn)速信號輸出，可輸入PWM信號對風(fēng)扇實現(xiàn)調(diào)速。這可減小噪聲、功耗，并可延長風(fēng)扇壽命。其風(fēng)扇外形如圖7所示。

溫度檢測與風(fēng)扇控制IC

早期的冷卻風(fēng)扇是沒有控制的，設(shè)備的電源一打開，風(fēng)扇則全速運行，不管功率器件是否是輕載還是重載或是空載，直到設(shè)備的電源關(guān)斷時，冷卻風(fēng)扇才停止工作。這樣電路是簡單了，但風(fēng)扇的噪聲大、耗電大，并且風(fēng)扇的壽命短。

如果能測量功率器件的溫度，若其溫度不高，則風(fēng)扇可不工作；若溫度超過設(shè)定的閾值時，風(fēng)扇工作；若能根據(jù)器件的溫度高低用PWM信號來控制轉(zhuǎn)速(調(diào)節(jié)氣流量)，使達到溫度高時轉(zhuǎn)速高，溫度低時轉(zhuǎn)速低，這是最佳的控制方式。另外，能檢測風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，如風(fēng)扇有故障(如轉(zhuǎn)速下降或轉(zhuǎn)子卡死)，則需要系統(tǒng)斷電以防止功率器件過熱而損壞，這樣可更加安全。

近年來，開發(fā)出很多溫度檢測及風(fēng)扇控制IC。這里僅舉一個簡單的雙溫度開關(guān)MAX6685，它可以檢測CPU或FPGA一類內(nèi)部有溫度傳感器的管芯溫度，并可由用戶設(shè)定風(fēng)扇運行時的低閾值溫度(超過低閾值溫度時，風(fēng)扇運行)；另外，還有工廠設(shè)定的高閾值溫度(120℃或125℃)，若風(fēng)扇有故障停轉(zhuǎn)或減速，使管芯溫度超過高閾值溫度，給出信號可切斷系統(tǒng)電源以保證系統(tǒng)的安全。

圖8是MAX6685的應(yīng)用電路圖，功率器件可以是CPU、FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)或?qū)Ｓ肐C(內(nèi)部的三極管，利用發(fā)射極及基極組成一個PN結(jié)的二極管測溫傳感器，檢測管芯的溫度)。內(nèi)部的測溫二極管接在DXP及DXN端。S1、S2端為低閾值溫度設(shè)定端，現(xiàn)S1、S2接地(GND)，低閾值溫度為75℃。當超過75℃時，TLOW端輸出高電平，外接N-MOSEFT導(dǎo)通，風(fēng)扇運轉(zhuǎn)對器件實行冷卻。若風(fēng)扇有故障，器件溫度升高到超過120℃或125℃時，THIGH輸出低電平，此信號使系統(tǒng)電源切斷，以保證系統(tǒng)的安全(THIGH內(nèi)部為開漏結(jié)構(gòu))。

該器件型號后綴中有L時，其高閾值溫度為120℃；后綴后中有H時，其高閾值溫度為125℃。另外，型號的后綴中有40時，其低閾值溫度范圍為+40℃～+80℃；后綴中有75時，其低閾值溫度范圍為+75℃～+115℃。低閾值溫度由用戶設(shè)定，S1、S2的接法與設(shè)置的低閾值溫度值如表2所示。

功率器件范文第2篇

關(guān)鍵詞: P型擴散區(qū)耗盡層;方塊電阻;CT解剖測量法

0 前言

目前,國內(nèi)生產(chǎn)大電流﹑高反壓的硅半導(dǎo)體功率器件產(chǎn)品,多采用N型硅單晶片為原材料,使用P型雜質(zhì)深擴散的方法形成耐高壓的PN結(jié)。產(chǎn)品的耐壓理論計算,普遍采用N基區(qū)單邊突變結(jié)“耗盡層近似理論”,忽略了P區(qū)的耐壓,致使產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)與實際參數(shù)相差較大。

作者利用正負電荷等量相存的“電中性原理”,推導(dǎo)出了P型深擴散區(qū)耗盡界面的位置;利用所謂“CT解剖測量”方法,確定P型耗盡層寬度;進而計算出P型擴散區(qū)的耐壓。

1 P型擴散區(qū)耗盡層的理論推導(dǎo)

1.1 在反向雪崩電壓下,N區(qū)耗盡層的方塊電阻

式4中,Wn﹑Wp分別是N區(qū)和P區(qū)耗盡層厚度坐標,x是厚度的自變量。

既然N區(qū)耗盡層中的正電荷量與P型耗盡層中的負電荷量是相等的,而N區(qū)耗盡層的方塊電阻近似為3KΩ/,P區(qū)耗盡層的方塊電阻是否也近似為3KΩ/呢?答案是否定的。因為半導(dǎo)體的方塊電阻,既決定于半導(dǎo)體內(nèi)載流子的可動電荷量,還決定于載流子的遷移率。在高純硅中,電子的遷移率為1360C㎡/(V·S),而空穴為495C㎡/(V·S)[3]。載流子的遷移率與半導(dǎo)體硅的電阻率成反比關(guān)系,故國內(nèi)硅半導(dǎo)體功率器件在反向雪崩電壓時,P區(qū)耗盡層的方塊電阻近似為:Rp = 8KΩ/,其值可以根據(jù)實用硅片的電阻率參照表1進行修正。這是本文的結(jié)論之一。

上述由P型雜質(zhì)深擴散模型導(dǎo)出的結(jié)論,亦可用于PiN型結(jié)構(gòu)的硅半導(dǎo)體功率器件產(chǎn)品。在PiN型結(jié)構(gòu)中,“耗盡層近似理論”“電中性原理”仍然有效,而這二點理論是導(dǎo)出本結(jié)論的理論依據(jù)。

1.3 在反向雪崩電壓下,P型擴散區(qū)耗盡層

從PN結(jié)向P區(qū)方向取一薄層,隨著幾何寬厚度的增加,薄層內(nèi)所含雜質(zhì)原子數(shù)逐漸增多,薄層的方塊電阻逐漸減小。當方塊電阻數(shù)值等于8KΩ/時,該薄層就是:在反向雪崩電壓下,P區(qū)的耗盡層;該薄層處于P區(qū)的界面就是:在反向雪崩電壓下,P型深擴散區(qū)耗盡層界面;該薄層的厚度就是:在反向雪崩電壓下,P型深擴散區(qū)耗盡層的厚度。

Wp越大。國內(nèi)硅半導(dǎo)體功率器件產(chǎn)品中的普通整流管,其Wp值約為5-10um;普通晶閘管的Wp值,約為20-40um。

上述方塊電阻的測量工藝方法,系筆者發(fā)明,由于所用精密儀器少,方法簡便直觀,可多次測量求平均值等優(yōu)點,被國內(nèi)硅半導(dǎo)體功率器件行業(yè)譽為“C T解剖測量法”。

3 P型擴散區(qū)耗盡層的耐壓

參考文獻:

[1]黃昆、韓汝琦,《半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)》,1979.

[2]徐傳驤,《高壓硅半導(dǎo)體器件耐壓與表面絕緣技術(shù)》,1985.

功率器件范文第3篇

關(guān)鍵詞：功率電子開關(guān)器件， 晶閘管 ，晶體管

Abstract: this paper introduces the power switch power of the device development course, switching device principle and characteristics. In its analysis of the application of the electronic device, and the future development of the power electronic switching device was prospected.

Keywords: power electronic switching device, thyristor, transistor

中圖分類號：F407.61 文獻標識碼：A文章編號：

功率電力開關(guān)器件是電子技術(shù)的基礎(chǔ)，也是電子技術(shù)發(fā)展的平臺。1958年美國通用電氣（CE）公司研制出第一個工業(yè)用普通晶閘管（SCR），它標志著功率電子開關(guān)技術(shù)的誕生。宣告了人類在電能變換和控制方面從旋轉(zhuǎn)的交流機組和靜止的離子變流器進入了由電子開關(guān)構(gòu)成新型變流器時代。半導(dǎo)體業(yè)經(jīng)過近半個世紀的研發(fā)至今已有四代功率電子開關(guān)產(chǎn)品問世。第一代功率電子開關(guān)產(chǎn)品主要是普通晶閘管及派生系列。第二代功率電子開關(guān)器件主要有功率三極管（GTR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率場效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣門雙極型晶體管（IGBT）、MOS控制晶閘管（MCT）和高壓集成電路等。第三代功率電子開關(guān)器件是智能化產(chǎn)品。目前已有智能化絕緣門極雙極型晶體管，稱智能IGBT。第四代為溝槽柵結(jié)構(gòu)的IGBT，目前已在試驗中。有望在短的時間內(nèi)有系列產(chǎn)品出現(xiàn)。

半控制型功率電子開關(guān)器件

半控制型功率電子開關(guān)器件主要有普通晶閘管及其派生器件。普通晶閘管具有可控的單向?qū)щ娦?，即不但具有一般二極管的單向?qū)щ姷恼髯饔?，而且還可以對導(dǎo)通電流進行控制。單向晶閘管是PNPN四層結(jié)構(gòu)，形成三個PN結(jié)，具有三個外電極。可等效為PNP、NPN兩個晶體管組成的復(fù)合管。目前的制造容量為：12KV/1KA和6.5KV/4KA。

光控晶閘管是通過光信號控制晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的器件，它具有很強的抗干擾能力、良好的高壓絕緣性能和較高的瞬時過電壓承受能力，因而被廣泛地應(yīng)用于高壓直流輸電（HVDC）、靜止無功補償（SVC）等領(lǐng)域。目前容量水平為8KV/3.6KA。

非對稱晶閘管是一種正、反相電壓耐量不對稱的晶閘管，而逆導(dǎo)晶閘管是非對稱晶閘管的一種特例，是將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。于普通晶閘管相比，它具有關(guān)斷時間短、正相壓降小、額定結(jié)溫高、高溫特性好等優(yōu)點。主要運用于逆變器和整流器中。目前的容量制造水平3KV/0.9KA。

二、全控型功率電力開關(guān)器件

全控型功率電力開關(guān)器件有如下幾種產(chǎn)品：

1、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）。1964年美國第一次試驗成功了0.5KV/0.01KA的GTO。因容量較小，當時只用于汽車點火裝置和電視機行掃描電路。20世紀70年代后期GTO的研制取得了重大突破。相繼研制出1.3KV/0.6KA；2.5KV/1KA；4.5KV/2.4KA的產(chǎn)品。目前已達到9KV/2.5KA/0.8KHZ和6KV/6KA/1KHZ的水平。GTO有對稱、非對稱和逆向?qū)ㄈN類型。主要運用于中等容量的牽引驅(qū)動中。目前各類自關(guān)斷開關(guān)器件中GTO容量最大。它還在高壓領(lǐng)域占有一席之地。

2、大功率晶體管（GTR）。GTR是一種電流控制的雙極雙結(jié)電子開關(guān)器件（又稱大林頓三極管），生產(chǎn)于上世紀70 年代。其額定值已達：1.8KV/0.8KA/2KHZ，1.4KV/0.6KA/5KHZ；0.6KV/0.3KA/100KHZ;它既具有晶體管的固有特性，又增大了功率容量。其優(yōu)點是它組成的電路靈活、成熟、開關(guān)頻率較高。在電源、電機控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應(yīng)用廣泛。GTR的缺點是驅(qū)動電流較大，耐浪涌電流的能力差。易受二次擊穿而損壞。正逐步被MOSFET和IGB所代替。

3、功率場效應(yīng)管（功率MOSFET）。功率場效應(yīng)管是一種電壓控制型單極晶體管。它是通過柵極電壓來控制漏極電流的。因而它的一個顯著特點是驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、工作頻率高（100KHZ）、為所有功率電子開關(guān)器件中頻率之最。因而最適合應(yīng)用于開關(guān)電源、高頻感應(yīng)加熱器等高頻場合。其缺點是電流容量較小、耐壓低、通態(tài)壓降大。目前制造水平在1KV/0.02KA/2000KHZ和0.06KV/0.2KA/2000KHZ。

三、復(fù)合型功率電力開關(guān)器件

1、絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）。IGBT是美國CE公司和RCA公司于1983年首先研制的。IGBT集GRT通態(tài)壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點于一身。IGBT的開關(guān)速度低于功率MOSFET；卻高于GTR；通態(tài)壓降同GTR相近，但比功率MOSFET低的多；電流、電壓等級與GTR接近，而比功率MOSFET高。目前其生產(chǎn)水平已達到4.5KV/1KA。IR公司已生產(chǎn)出開關(guān)頻率達150KHZ的WARP系列。IGBT近年來被廣泛地應(yīng)用于中等功率容量（600V以上）的UPS開關(guān)電源及交流電機控制用PWM逆變器中。并正逐步替代GTR成為功率開關(guān)器件的核心元件。

2、MOS控制晶閘管（MCT）。MCT最早是美國CE公司研制的，是由MOSFET與晶閘管復(fù)合而成的新型器件，每個MCT器件由成千上萬的MCT元件組成。而每個元件又是由一個PNPN和一個控制MCT關(guān)斷的MOSFET組成。MCT工作于超擎住狀態(tài)，是一個真正的PNPN器件，其通態(tài)電阻低于其它場效應(yīng)器件。MCT既具有功率MOSFET輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快的特點、又兼有晶閘管高電壓、大電流、低壓降的優(yōu)點。目前已制造出阻斷電壓高達4KV以上的MCT，在25A/1KV的串聯(lián)諧振器交換器中得到使用。

四、功率集成電路（PIC）

1、PIC是功率電子開關(guān)器件技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。是機電一體化的關(guān)鍵接口元件。將功率器件及其驅(qū)動電路、保護電路、接口電路等電路集成在一個或幾個芯片上就制成了PIC。功率集成電路可分為高壓功率集成電路（HVIC）智能功率集成電路（SPIC）和智能功率模塊（IPM）。2、 HVIC是多個高壓器件與低壓模擬器件或邏輯電路在單片上的集成。由于它的功率器件是橫向的，電流容量較小、而控制電路的電流密度較大，故大多數(shù)用于小型電機驅(qū)動，平板顯示驅(qū)動及長途電話通信電路等高電壓、小電流場合。3、SPIC是由一個或幾個縱向結(jié)構(gòu)的功率器件與控制和保護電路集成而成。電流容量大而耐壓能力差，適合作為電機驅(qū)動，汽車功率開關(guān)及調(diào)壓等。4、IPM除了集成功率器件和驅(qū)動電流外，還集成了過電壓過電流過熱等故障監(jiān)測電路?？鞂⒈O(jiān)測信號傳給CPU以保證IPM自身安全。目前IPM中的功率器件一般由IGBT充當。IPM體積小、可靠性高、使用方便。主要運用于交流電機控制和家用電器。已有400V/55KW/20KHZ的IPM得到應(yīng)用。

五、結(jié)論

功率電力開關(guān)器件地應(yīng)用已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會生活以及國防等各個方面。實際地需要將極大地推動新器件的創(chuàng)新。微電子技術(shù)和功率電力器件的結(jié)合，一些具有高載流子遷移率強的熱電傳導(dǎo)性以及寬帶隙的新型半導(dǎo)體材料如：砷化鎵、碳化硅、人造金剛石等材料有助于開發(fā)新一代高結(jié)溫、高頻率、高動態(tài)參數(shù)的器件。從結(jié)構(gòu)上看，功率電力開關(guān)器件將向復(fù)合化、模塊化發(fā)展。從性能上看發(fā)展方向?qū)⑹翘岣呷萘亢凸ぷ黝l率，降低通態(tài)壓降，減小驅(qū)動功率、改善動態(tài)參數(shù)和多功能化。從應(yīng)用上看，MOSFET、IGBT、MCT是最具有發(fā)展前景的器件。GTO將繼續(xù)在超高壓大功率領(lǐng)域發(fā)揮作用；功率MOSFET在高頻、低壓、小功率領(lǐng)域具有優(yōu)勢。大電流普通晶閘管在高壓直流輸電和靜止無功功率補償裝置中的作用會得到延續(xù)。而低壓普通晶閘管和GTR將逐步被功率MOSFET（600V以下）和IGBT（600V以上）所代替。MCT最具發(fā)展前途。

參考文獻 ：

[1] 菲利浦功率MOSFET 《世界電子元器件》[M] 2000

功率器件范文第4篇

關(guān)鍵詞：諧波；抑制技術(shù)；PWM

在公共電網(wǎng)的發(fā)展中，一直無法避免電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生，消除諧波成為該領(lǐng)域的一大難點。在20世紀初期，靜止汞弧變流器被廣泛應(yīng)用，但它卻對電網(wǎng)電壓和電流波形產(chǎn)生了影響[1]，使其產(chǎn)生了畸變。直到20世紀中葉，伴隨著高壓直流輸電技術(shù)的出現(xiàn)，促進了人們對整流器的研究與探索。

諧波源泛指在公用電網(wǎng)工作過程中，會產(chǎn)生諧波電壓或諧波電流的設(shè)備，通常是一非線性設(shè)備。

諧波的危害

在使用公用電網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)展初期，由于電力電子裝置的使用較少，產(chǎn)生的諧波污染也不多，所以并沒有引起人們的關(guān)注。但隨著人們對電力的需求，以及該領(lǐng)域的迅速發(fā)展，各種電子設(shè)備在電網(wǎng)系統(tǒng)、商業(yè)部門和民間中投入使用，造成了許多設(shè)備故障和意外事故，使諧波污染的問題變得不容忽視。

諧波所產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在一下幾個方面：

1、降低用電效率。電網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生的諧波，會引起設(shè)備中的元器件發(fā)熱[4]，增加元器件的損耗。

2、減少設(shè)備使用周期。元器件發(fā)熱會加速設(shè)備老化，降低設(shè)備使用壽命。

3、產(chǎn)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振。諧波會導(dǎo)致電網(wǎng)和補償電容器之間產(chǎn)生諧振。

4、保護設(shè)施發(fā)生故障。諧波會造成保護設(shè)施做出錯誤判斷，進而引起錯誤的動作。

5、測量設(shè)備不準確。諧波會對測量工具產(chǎn)生干擾，造成測量結(jié)果不準確，這將影響測量人員的判斷[5]。

6、對周圍其他系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。諧波會影響到周遭設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)[3]。

諧波抑制技術(shù)

在達到日常生活生產(chǎn)的前提下，還需要滿足諧波標準的要求，這就需要降低電子設(shè)備產(chǎn)生的諧波?，F(xiàn)階段對諧波的抑制手段主要分為兩類：一類是被動對所產(chǎn)生的諧波進行補償?shù)姆绞?，通常是在電子設(shè)備中加入相對獨立的濾波器等補償裝置，既能抑制設(shè)備所產(chǎn)生的諧波污染，又不對設(shè)備本身產(chǎn)生影響[7]。另一類是主動改進電力電子設(shè)備的方法，該方法主要是對設(shè)備本身的器件進行升級，使之不再產(chǎn)生諧波。目前，在實際使用中，采用較多的諧波抑制技術(shù)有：

1、有源電力濾波器

2、有源功率因數(shù)校正技術(shù)

3、無源電力濾波器

4、PWM整流技術(shù)

在電力電子設(shè)備中，整流電路為逆變模塊和斬波模塊提供了直流穩(wěn)壓電源，此類電源通常首先是由二極管進行整理，再經(jīng)過電容濾波后得到，由于有這些非線性器件存在，所以很難避免產(chǎn)生諧波以及無用功率的問題[8]。

PWM整流技術(shù)的出現(xiàn)，對于日益嚴重的諧波污染問題有了革命性的轉(zhuǎn)折。PWM技術(shù)的原理，可以看作是依靠加入半導(dǎo)體器件，進而完成對電壓的變頻變壓操作，從而達到理想中抑制諧波的目的，具體方法是利用二極管通斷的特性將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟úㄐ蔚碾妷好}沖序列。從二十世紀中期，研究人員首次將使用在通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到逆變技術(shù)中，發(fā)展至今已經(jīng)實現(xiàn)了多種調(diào)制方式，其中具有代表性的是二十世紀八十年代出現(xiàn)的空間矢量PWM（SVPWM）控制策略，它與之前的正弦波脈寬調(diào)制SPWM不同，其為了得到準圓形旋轉(zhuǎn)磁場而選用了轉(zhuǎn)換逆變器空間電壓矢量，該技術(shù)的優(yōu)點在于取得更高效率的同時，還可以在較低的開關(guān)頻率下進行。

鑒于不同控制方法的優(yōu)缺點，再加之各種電子設(shè)備的普及化和民用化，使得消除諧波的需求刻不容緩，而統(tǒng)計表明，在所有的諧波污染中有四分之三是有整流設(shè)備帶來的，所以說本課題關(guān)于高功率因數(shù)整流器及其控制策略的比較研究是很有實際意義的[2]。

國內(nèi)外PWM整流技術(shù)的發(fā)展狀況

自PWM整流技術(shù)的數(shù)學(xué)模型首次被建立以來，雖經(jīng)過許多研究人員的多年開發(fā)與改進，但其本質(zhì)并沒有大的改變，仍然是以R.Wu，S.B.Dewan等人在a、b、c三相坐標系中所建立的PWM整流器模型，后人在此基礎(chǔ)之上進行了改進，Chun.T.Rim和Dong.Y. Hu等人對原始數(shù)學(xué)模型進行坐標變換，進而在、坐標系中建立等效模型，并對PWM整流器進行了狀態(tài)分析。Hengchun Mao等人進一步對該數(shù)學(xué)模型進行簡化，建立了降階小信號模型。

主流的PWM整流器分類方法是將其分為電壓型PWM整流器和電流型PWM整流器兩大類，也按照其他分類方法將PWM整流器進行歸類，例如按PWM開關(guān)的調(diào)制方式，可分為軟開關(guān)調(diào)制PWM整流器和硬開關(guān)PWM整流器；按調(diào)制電平的相位數(shù)，可分為二電平PWM整流器、三電平PWM整流器和多電平PWM整流器等。雖然PWM整流器較以往的整流技術(shù)具有精度準，特性強，效率高等優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中卻建設(shè)成本和復(fù)雜度較高，使其很難在一些小眾場合中應(yīng)用。在一些需要大功率整流設(shè)備的場合中，例如電鍍行業(yè)、氧化行業(yè)等大中型企業(yè)，尤其是在需要將能力進行雙向傳導(dǎo)時，其具有十分巨大的應(yīng)用市場。伴隨著其他領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，也促使PWM整流器向著多功能化、智能化、高頻化、電路弱電化以及數(shù)字化方向發(fā)展，新的拓撲結(jié)構(gòu)和新的控制策略再也不斷被開發(fā)出來[12]。

電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型

在通常情況下，分析和研究PWM整流器的動態(tài)特性和靜態(tài)特性時，研究人員經(jīng)常選取的方法就是建立與之相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。在本節(jié)中，將講述如何建立三相靜止坐標系（a，b，c）、兩相靜止垂直坐標系（α，β），以及兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系（d，q）中的PWM整流器的數(shù)學(xué)模型。

PWM整流器數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在多變量、強耦合、非線性等高階系統(tǒng)中，需要對其的電壓和頻率分別進行控制，這就必須要有對電壓和頻率單獨輸入變量，對于該系統(tǒng)的分析和仿真是一個相對較為困難的階段。在實際情況下，研究人員應(yīng)該在數(shù)學(xué)模型里給定各個變量的變化范圍，從而是得整個結(jié)構(gòu)變得簡單，進而減少系統(tǒng)的階數(shù)，便于計算。在PWM整流器的數(shù)學(xué)模型中，我們常常選用的是低頻信號，這使得我們需要避免與高頻諧波的開關(guān)頻率相關(guān)的參數(shù)[14]。根據(jù)整流器的低頻模型，我們可以得到整流器的矢量結(jié)果，并可以很好地證明整流器的運行機制和物理量的邏輯。脈寬調(diào)制整流器的開關(guān)頻率大大超過了電力系統(tǒng)的基本頻率，可以是脈寬調(diào)制整流器的一部分，從而簡化了其結(jié)構(gòu)，只考慮低頻分量，導(dǎo)致低頻率模型。低頻模型非常適合于控制系統(tǒng)的設(shè)計，可直接用于控制器的設(shè)計。然而，由于該模型，對開關(guān)過程中的高頻分量被忽略，所以無法進行動態(tài)波形的仿真精度的研究。

基于開關(guān)函數(shù)，構(gòu)造了一種符合于PWM整流器的高頻數(shù)學(xué)模型。然而，高頻的數(shù)學(xué)模型中包括的開關(guān)過程中的高頻分量，想要再利用其去建立控制器是幾乎無法完成的。

參考文獻

[1] 何新霞.電壓型PWM可逆整流器建模與系統(tǒng)仿真[J].石油大學(xué)學(xué)報，1999，（3）：93-95.

功率器件范文第5篇

關(guān)鍵詞： 激光器 功率特性 多通道 測試系統(tǒng)

中圖分類號： 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（a）-0000-00

1 引言

激光器誕生已有幾十年的歷史，而且已廣泛運用。1966年氣動CO2激光器誕生了，從此CO2激光器受到了極大的關(guān)注。由于激光技術(shù)中氣動技術(shù)的引進，CO2激光器開辟了廣闊的運用前景。伴隨著科學(xué)技術(shù)的進步，世界各國的激光技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，二氧化碳激光器是目前連續(xù)輸出功率較高的一種激光，它發(fā)展較早，商業(yè)產(chǎn)品較為成熟，被廣泛應(yīng)用到材料加工、醫(yī)療使用、軍事武器、環(huán)境量測等各個領(lǐng)域。

低功率CO2激光器到目前為止沒有行業(yè)和國家標準。當前低功率CO2激光器還沒有相應(yīng)的國家標準，只有中國機械工業(yè)聯(lián)合會出的JB/T 10785-2007《大功率橫流連續(xù)波二氧化碳激光器》，但該標準適用于直流電激勵且電場方向、氣體流向、光束輸出方向三軸相互正交，輸出多模激光功率為1000W～10000W邊疆的二氧化碳激光器。另外還有JB/T 9490-2013《二氧化碳激光器 主要參數(shù)測試方法》，該標準適用于二氧化碳激光器常用光電參數(shù)的測試方法，但都不是針對激光功率特性相關(guān)的檢測方法。

沒有企業(yè)標準，也沒有專用檢測設(shè)備開展質(zhì)量檢測。目前，用于雕版機、雕刻機、切割機的激光管和用于裁剪機的玻璃激光管，其工作波長為10.6μm連續(xù)波工作的二氧化碳激光器，沒有專門適用的產(chǎn)品標準和方法標準。所以造成這些激光器在出廠前無法進行相應(yīng)的檢測，激光器采購商也無法對產(chǎn)品合格與否進行檢測。但也有業(yè)內(nèi)一些大型采購商迫于無奈，已自己定義編制了一套產(chǎn)品入產(chǎn)檢驗細則，對激光器功率等關(guān)鍵參數(shù)進行檢測，但根據(jù)這些檢驗細則，一是還有部分項目雖然有制定方法，但由于缺乏專業(yè)設(shè)備還是無法開展檢測，二是檢測這些項目企業(yè)需要投入大量人力去手工檢驗，而且檢測準確性不高。

激光器是激光設(shè)備的核心部件，長久以來，激光器核心技術(shù)被國外企業(yè)所壟斷，激光器參數(shù)配套檢測裝置的研究與開發(fā)在國內(nèi)更加少，大部分激光設(shè)備及其激光器在應(yīng)用時都無法進行相關(guān)的測試，影響了激光設(shè)備功能的正常發(fā)揮，因此，研究開發(fā)激光器參數(shù)智能檢測裝置及其測試方法，應(yīng)用于激光器和激光設(shè)備顯得尤為迫切。所以需要提供一套面向多對象的高精度、低成本、多通道、快速檢測的激光器功率特性測試儀，是行業(yè)的急切需求。

2 系統(tǒng)設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

二氧化碳激光器功率特性智能測試儀是激光器及激光設(shè)備功率特性測試設(shè)備，屬光機電一體化技術(shù)范疇，其主要有控制系統(tǒng)部分和機械部分組成。測試裝置硬件及軟件是整個測試儀性能發(fā)揮的基礎(chǔ)，良好的硬件組合與智能化的軟件程序可以使得測試儀發(fā)揮更佳的效益，通過對測試裝置硬件系統(tǒng)進行了重新布局與優(yōu)化，編制了對應(yīng)軟件程序，提高測試裝置的響應(yīng)速度與測試精度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)硬件分配及關(guān)系如圖1和圖2所示。

2.2 多通道檢測的研究

多通道檢測是激光功率特性測試發(fā)展的必然趨勢，一一檢測費時費力，不利于檢測效率的提升，項目開展多通道檢測研究，使得測試裝置可以同時開展多路檢測，提高了檢測的效率，并且可以根據(jù)實時檢測結(jié)果對有邏輯關(guān)系的測量數(shù)據(jù)進行分析與計算，確保整個測試過程具有較高的智能化水平。

2.3 激光器功率特性測試方法的自動化檢測

同時多路開展檢測工作，并且采用程序化設(shè)定，自動的對閥值功率、閥值電壓、功率曲線、功率穩(wěn)定度、電流穩(wěn)定度、功率電流特性等項目進行測試并記錄數(shù)據(jù)，通過后臺處理，將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機，給出合格與否的判定，實現(xiàn)了整個過程的自動智慧檢測。

2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1程序化智能控制電源2觸摸屏3便攜機箱4功率探測器5激光6支架7支架底座8多通道安裝平臺

3 應(yīng)用前景

系統(tǒng)可以作為檢測部門確定二氧化碳激光器質(zhì)量好壞的主要檢測方法依據(jù)。同時能自動快速的對二氧化碳激光器進行功率特性進行檢測，響應(yīng)政府“機器換人”號召，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低了人工成本。生產(chǎn)廠家使用本產(chǎn)品在線檢測，及時過程控制，降低次品率。作為采購二氧化碳激光器的用戶對產(chǎn)品進行進貨檢驗把關(guān)的依據(jù)。作為二氧化碳激光器研發(fā)提升的指導(dǎo)性依據(jù)。本系統(tǒng)所涉及的檢驗項目和檢測方法，將來可以提升為聯(lián)盟標準，行業(yè)標準乃至國家標準。

4 結(jié)束語

本測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)“機代人”，大幅度節(jié)約勞動力成本，進一步貫徹落實了《關(guān)于2014年加快推進“機器換人”工作的實施意見》（浙經(jīng)信投資〔2014〕78號），加快推進機器換人步伐，解決企業(yè)日益嚴峻的“招工難”、“用工貴”問題，努力實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的自動制造、智能制造、綠色制造和安全制造。

參考文獻：

[1] 浙經(jīng)信投資〔2014〕78號.《關(guān)于2014年加快推進“機器換人”工作的實施意見》.

[2] 李適民.激光器件原理與設(shè)計.北京：國防工業(yè)出版社。1998：220―2=56.

[3] 楊照金，王雷.激光功率和能量計量技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].應(yīng)用光學(xué)，2004，25（3）：1-4.