绪论电力电子器件发展概况与应用现状

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1、器件 现代电力电子器件 参考书目： 1.电力电子技术（5），机工版，王兆安等，2010. 2.电力电子器件及其应用，机工版，李序葆等，2002. 3.现代电力电子器件原理与应用技术，机工版，徐德鸿 ，2010. 4.IGBT驱动与保护电路设计及应用电路实例，机工版， 周志敏，2011。 1 2 电力电子器件 发展概况及应用现状 器件 一. 发展概况 电力电子技术包括电力半导体器件与IC技术、功率变换技术 及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术 的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。 1957年美国通用电气(GE)公司研制出世界上第一个工业用 普通晶闸管，标志着电力电子技术的

2、诞生。 6070年代，晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的 系列产品。同时，非对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管 、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世， 广泛应用于各 种变流装置。由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率 高、响应快等优点，其研制及应用得到了飞速发展。 3 器件 4 由于普通晶闸管不能自关断，属于半控型器件，因而后来 被称作第一代电力电子器件。 随着理论研究和工艺水平的不断提高，70年代中期，先后 出现了GTR、GTO、功率MOSET等自关断、全控型器件 ，被称为第二代电力电子器件。 自80年代中期，开发出的IGBT、MCT，90年代中期出现 的IGCT等复合型器件，被称为

3、第三代电力电子器件。 自90年代出现的功率集成电路、功率集成模块，被称为第 四代电力电子器件，代表着电力电子的发展方向。 器件 5 电力整流管 整流管产生于40年代，结构最简单、使用最广泛。 类型：普通整流管、快恢复整流管、肖特基整流管 普通整流管：漏电流小、通态压降较低(1.01.8V)、反向 恢复时间较长(几十微秒)、电压和电流定额很高。应用于 牵引、充电、电镀等，转换速度要求不高的装置中。 快恢复整流管：较快的反向恢复时间(几百纳秒至几微秒) ，但通态压降很高(1.64.0V)。用于斩波、逆变等电路中 充当旁路二极管或阻塞二极管。 肖特基整流管：兼有快的反向恢复时间(几微秒以下)和低 的

4、通态压降(0.30.6V)的优点，不过其漏电流较大、耐压 能力低， 常用于高频低压仪表和开关电源。 器件 6 器件 7 目前的研制水平为: 普通整流管：8000V/5000A/400Hz 快恢复整流管：6000V/1200A/1000Hz 肖特基整流管：1000V/100A/200kHz 器件 8 普通晶闸管及其派生器件 1957年晶闸管诞生后，其结构的改进和工艺的改革，为 新器件的不断出现提供了条件。 1964年，双向晶闸管在GE公司开发成功，用于调光和马 达控制； 1965年，小功率光触发晶闸管出现； 1974年，逆导晶闸管和非对称晶闸管研制完成。 普通晶闸管广泛应用于交直流调速、调光、调

5、温等低频 (400Hz以下)领域。 晶闸管装置的运行会产生波形畸变和降低功率因数、影响 电网的质量。 目前水平为12kV/1kA和 8000V/4000A。光触发晶闸 管8000V/4000A和6000V/6000A. 器件 9 器件 10 门极可关断晶闸管（GTO） 1964年，美国第一次试制成功了500V/10A的GTO。在此 后的近10年内，GTO的容量一直停留在较小水平，只在汽 车点火装置和电视机行扫描电路中应用。 自70年代中期开始，GTO的研制取得突破，相继出现了大 功率产品。 目前水平已达 9kV/10kA/800Hz、6500V/6kA/1kHz。 GTO有对称、非对称和逆导三

6、种类型。 与对称GTO相比，非对称GTO通态压降小、抗浪涌电流能 力强、易于提高耐压能力(3000以上)。 器件 11 优点：在当前各种自关断器件中，GTO容量最大、但工作 频率最低(12kHz)。 缺点：GTO是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的 反向驱动电流； GTO通态压降大、dv/dt及di/dt耐量低，需 要庞大的吸收电路。 目前，GTO虽然在低于 2000V的某些领域内已被 GTR和IGBT等所替代， 但它在大功率电力牵引中 有明显优势； 今后，它 还会在高压领域占有一席 之地。 器件 12 功率晶体管（GTR） 电流控制的双极型电力电子器件，产生于20世纪70年代. 其额定值

7、已达1800V/800A/2kHz、1400V/600A/5kHz、 600V/3A/100kHz。 优点：既具备晶体管的固有特性，又增大了功率容量，因 此组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短。 缺点：驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿 而损坏。 应用：在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等 频率的电路中应用广泛。 在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT 所代替。 器件 13 电力晶体管(GTR) 器件 14 功率MOSFET 电压控制型单极晶体管，通过栅极电压来控制漏极电流 ， 产生于20世纪70年代中期。 优点：驱动电路简单、驱动功率小； 仅

8、由多数载流子导电 ，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达100kHz以 上。 没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。 缺点：电流容量小、耐压低、通态压降大，不适用于大功 率装置。 应用：最适合于开关电源、高频感应加热等高频场合； 目前制造水平：1kV/2A/2MHz、60V/200A/2MHz。 器件 15 电力场效应晶体管 （Power MOSFET） 器件 16 绝缘栅极双极型晶体管（IGBT） IGBT是由美国GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，当 时容量仅500V/20A。 1986年开始正式生产。90年代初，完成第二代产品。 90年代末，第三代智能IGBT出现。现正

9、在研究并完善第四 代沟槽栅结构的IGBT。 IGBT可视为GTR与MOSFET的复合。 优点： IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功 率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳 定性好的优点于一身。 它为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化 、高效化、低噪化提供了有利条件。 器件 17 比较而言，IGBT的开关速度低于功率MOSFET，却明显 高于GTR；IGBT的通态压降同GTR相近，但比MOSFET 低得多；IGBT的电流、电压等级超过GTR，比MOSFET 高很多。 研制水平：5000V/3000A(单管)，1200V/3300A(模块) 应用：IGB

10、T在中等功率容量(600V以上)的UPS、开关电源 及交流电机控制用PWM逆变器中，IGBT已逐步替代GTR 成为核心元件（中、大容量）。 另外，IR公司已设计出开关频率高达150kHz的WARP系列 400600V IGBT，其开关特性与功率MOSFET接近，而 导通损耗却比功率MOSFET低得多。该系列IGBT有望在 高频150kHz整流器中取代功率MOSFET，并大大降低开关 损耗。 器件 18 a) IGBT单管外观 b) IGBT模块外观 器件 19 MOS控制晶闸管(MCT) MCT最早由美国GE公司研制，是由MOSFET与晶闸管复合 而成的新型器件。 每个MCT器件由成千上万的M

11、CT元组成，而每个元是由一 个PNPN晶闸管、一个控制导通的MOSFET和一个控制关断 的MOSFET组成。 MCT工作于超擎住状态，是一个真正的PNPN器件，这正 是其通态电阻远低于其它场效应器件的最主要原因。 优点：MCT既具备功率MOSFET输入阻抗高、驱动功率小 、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低 压降的优点。 其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是 IGBT或GTR的1/3，而开关速度则超过GTR。 器件 20 由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面积通断 ，故MCT具有很强的导通di/dt和阻断dv/dt能力，其值高达 2000A/s 和20

12、00V/s。其工作结温亦高达150200。 已研制出阻断电压达4000V的MCT，75A/1000V MCT已应 用于串联谐振变换器。 随着性能价格比的不断优化，MCT将逐渐走入应用领域 并有可能取代高压GTO，与IGBT的竞争亦将在中功率领 域展开。 器件 21 IGCT：集成门极换流晶闸管 IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是一种用于 巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。瑞典的 ABB公司于90年代中期推出。 IGCT是将GTO芯片与反并联二极管集成在一起，再与其 门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳 定关断能力和

13、晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥 晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。 IGCT使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成 本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成 套装置带来了新的飞跃。 器件 22 图 IGCT的外形结构 器件 23 器件 24 器件 25 优点：IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性 高、结构紧凑、损耗低等特点，而且制造成本低，成品率 高，有很好的应用前景。 采用晶闸管技术的IGCT是大功率开关器件，相对于采用 晶体管技术的IGBT在截止电压、通态电压上有更高的性 能。 目前已经达到6000V/5000A的水平。 在大功率MCT技术尚未成熟以

14、前，IGCT已经成为高压大 功率低频交流器的优选方案。 器件 26 IEGT：电子注入增强栅晶体管 IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是耐压达4KV以上 的IGBT系列电力电子器件。日本东芝开发。 采取增强注入的结构实现了低通态电压。 IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景， 具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特 点，在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。 IECT利用了“电子注入增强效应”，使之兼有IGBT和GTO 两者的优点：低饱和压降，宽安全工作区(吸收回路容量 仅为GTO的1/10左右)，低栅极驱动功率(比GTO低

15、两个数 量级)和较高的工作频率。 可靠性高，性能已经达到4.5KV/1500A的水平。 器件 27 图1-19 IEGT的外观 器件 28 功率集成电路（PIC） PIC是电力电子器件技术与微电子技术相结合的产物，是 机电一体化的关键接口元件。 将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电 路集成在一个或几个芯片上，就制成了PIC。 一般认为，PIC的额定功率应大于1W。 功率集成电路还可以分为高压功率集成电路(HVIC)、智能 功率集成电路(SPIC)和智能功率模块(IPEM)。 器件 29 器件 30 高压功率集成电路(HVIC) HVIC是多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路在单片

16、 上的集成，由于它的功率器件是横向的、电流容量较小， 而控制电路的电流密度较大。 常用于小型电机驱动、平板显示驱动及长途电话通信电路 等高电压、小电流场合。 已有110V/13A、 550V/0.5A、80V/2A/200kHz、 500V/600mA 器件 31 智能功率集成电路(SPIC) SPIC是由一个或几个纵型结构的功率器件与控制和保护 电路集成而成。 电流容量大而耐压能力差，适合作为电机驱动、汽车功 率开关及调压器等。 器件 32 图1-27 一种功率集成电路PIC的外形和内部结构原理 器件 33 IPEM：集成电力电子模块 IPEM(Intergrated Power Elactronics Modules)是将电力电子 装置的诸多器件集成在一起的模块。 它首先将半导体器件MOSFET、IGBT等与二极管的芯片封 装在一起组成一个积木单