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1、电力电子及其应用的十年展望电力电子及其应用已经走过了从诞生到成熟的艰难历程。但在人类的科技史上看这仅仅是开始。让我们从时代前进的角度，对包括材料、元器件、整机和系统，从基础理论到可靠性的改善，来初步展望电力电子及其应用在可以预见的今后十年的新发展。脱胎于以电子管（电真空器件和充气管器件）为基础的“工业电子学”、在电力半导体器件发展推动下诞生的“电力电子学”已经走过近50年的历程而逐步成熟起来。它以优化功率变换为己任，以高效节能节材为专长，以为自动化、智能化、机电一体化服务为目标，今天已经渗透到电能的产生、输送、分配和应用的各行各业，日益显示出与微电子相似的基础高科技的一系列特点。电力电子及其应
2、用的进程是十分艰难的。它是一种强电电子技术。正因为它通过弱电控制来同强电打交道，所以不断有越来越深层次的可靠性问题被发现、被提出，使其理论和实践的内容越来越丰富。所以，电力电子还是处于不停的发展中，蕴藏着巨大的生命力。我们从时代前进的角度，基于对过去近半世纪来的进步的回顾和当代初露端倪的新苗头，来初步展望电力电子及其应用在可以预见的今后十年的新发展。1向高电压、大电流、高速化方向发展、“各司其职”的电力半导体器件近半个世纪来，电力半导体器件出现了几十种产品，从理论、结构和工艺的创新、应用广泛和持续的视角来看，功率二极管、晶体闸流管、可关断晶闸管（GTO）和电场控制器件（IGBT为代表）是几个发
3、展平台，从每个平台又派生出若干相关的器件来。当然，所有参数均佳的“全能冠军”式器件是不存在的。必然是适应不同的应用需要而会有不同的器件得到具体的发展；而不同的器件又会找到最适合自己特点的应用场合。1.1功率二极管1在现代电力电子线路装置中，除了大功率工频整流的基本功能之外，功率二极管还日益肩负起高频整流、续流、隔离、箝位、吸收等越来越多的功能。除了电压、电流的指标外，二极管的反向恢复特性成为最被关注的参数。能够能动地控制恢复电荷、恢复时间、恢复软度及其一致性的工艺技术，以及为折衷超快恢复特性与压降之间的矛盾而必须采用横向耐压的、减少表面电场的RESURF技术将会进一步成熟起来。为满足频率越来越
4、高的高频整流和高效率的伏级低电压计算机等整流电源发展的需要，高性能肖特基二极管和用功率MOSFET组成的同步整流器将会普及应用。1.2晶体闸流管在特大功率的工频开关应用中，晶闸管以其耐压高、通态压降小、通态功耗低而应用在高压直流输电（HVDC）、动态无功功率补偿、超大电流电解等场合占有优势。今后十年，我国以三峡电站为代表的一系列西部水力发电站的建成所需的直流输电工程需要大量6500V/3000A级晶闸管；300kA电解铝设备要求用大量2500V/5000A级晶闸管。它们的动态特性，如前者的反向恢复电荷的一致性，后者的di/dt耐量高将成为必须攻克的技术细颈。此外，为解决触发绝缘的困难，要求制造
5、这种参数的光控晶闸管用于HVDC的呼声日益高涨。1.3从GTO到IGCT常规GTO因其关断增益不可能太大而必须借助于足够大的负门极电流（约为主电流的三分之一左右）实现关断。有人把GTO关断所需很大的负门极电流认为是靠门极阴极结的反向雪崩来传导的，这种错误观点误导了不少GTO的应用者，使应用中莫名其妙地烧了不少GTO。实际上，施加负门极脉冲前，GTO必须先开通，即121被满足，在阳极电流足够大之后，才能施加负门极信号来降低门极电位，造成阳极电流的相当部分从阳极直接流向门极而减少了通过阴极即npn晶体管部分的发射结的电流，从而使门极阴极发射结对应的电流放大系数减小，最终在126000V/800A级
6、IGCT已经商业化。1.4从IGBT到IEGT1IGBT在实践中显示了自己的生命力，最近IGBT在大功率、高频率方向上取得了可喜的突破。（1）沟槽（Trench）结构降低IGBT的通态压降常规IGBT在栅极下方不可避免地存在一个结型场控晶体管，采用沟槽结构挖掉了这个晶体管，使IGBT的串联电阻明显减小。这要求解决挖槽、侧壁氧化及垂直制栅等具体工艺问题。（2）非穿通（NPT）结构实现多芯片并联，以扩大IGBT电流容量穿通结构能减薄基区，在晶闸管、GTO等多种电力半导体器件中得到广泛应用。在常规电压IGBT中，为减薄外延层，也采用穿通（PT）结构，但PT结构中各并联单元之间存在着电流分布不均的严重
7、问题。IGBT的制造又要经过十来次光刻，其成品率不允许像晶闸管、GTO那样在一个大硅片上直接做一个器件。所以，要想得到大电流容量的IGBT，必须采用多芯片并联。采用NPT结构，在额定电流下，各IGBT芯片并联时能实现自动均流的功能。于是，采用NPT结构的多芯片（如几十个）并联，已成为IGBT向大电流容量发展的主要技术措施。（3）用单晶片取代外延片制造高电压IGBT1200V以下的IGBT，基区只有100多微米，只能靠在足够厚度的超低电阻衬底硅片上外延生长出来，才会保持其机械强度，加工时不至碎片。制造高电压IGBT，基区厚度要求达到几百微米，这就可以不用外延片而直接采用高电阻率的单晶硅片了。（4
8、）提高基区内载流子浓度分布的IEGT高电压的常规IGBT，由于基区大大加宽，导通压降太大。采用注入增强栅晶体管结构（IEGT），增加基区中的载流子浓度来减小其体压降。这是IGBT走向高压化的又一重要措施。所以，IEGT是高电压化的IGBT。目前4500V/3000A的IGBT（IEGT）已经商品化。不久，6500V级IEGT也将实用化。（5）霹雳型IGBT向150300kHz前进正常IGBT的工作频率在1020kHz，其开关速度比GTO、IGCT快得多。在交流电动机变频调速中，它是较好的选择。它在中小容量装置中淘汰功率双极晶体管（GTR）已成定论。IEGT在高电压领域中保持快速开关特性。在20
9、世纪末，采用特殊结构和特殊少子寿命控制（如质子注入加特殊退火工艺规范）的IGBT，在6001200V电压水平下，使工作频率达到150kHz（硬开关）和300kHz（软开关），被称为霹雳型IGBT。它们将在开关电源中与功率MOSFET竞争，以其导通压降小，电流密度大，电压等级高，成本低等优点占有优势。今后十年的开关电源，也许这种IGBT的市场份额将会扩大。1.5功率MOS场效应管（MOSFET）在竞争中快速发展20世纪90年代初业界就有不少预言，功率MOSFET将随价格的降低而逐步扩大其在量大面广的晶体管总市场中的份额，从而将胜过固有二次击穿问题的双极结型晶体管。在2000年，二者市场份额已经基
10、本持平。今后十年，功率MOSFET的这种优势将进一步发展，特别是在汽车电子（每辆轿车约采用40120只MOSFET）、计算机外部设备、各种开关电源和电子镇流器等开关应用的领域，将成为功率MOSFET的广阔市场。如前所述，在较高电压（如300V以上）、中等频率（如200kHz以下）的开关电源中，功率MOSFET将遇到高频化的IGBT的竞争。但是，所有含有PN结的硅器件（包括二极管），其导通伏安特性上均有至少0.7V的门槛电压降，而功率MOSFET表现为纯电阻特点而呈从原点发出的直线。所以在100V以下的开关应用中，MOSFET的导通电阻低于结型器件，超低导通电阻的MOSFET占有绝对优势，这对高
11、效率的伏级开关电源是重要贡献。另外，在200kHz以上的高频应用领域，也是功率MOSFET的巨大市场所在。最近几百兆赫、几百瓦的射频MOSFET已经商品化。未来十年，微波功率MOSFET（即吉赫波段）的应用将可能促使微波设备的全固态化。低电压MOSFET的低导通电阻、极高的开关速度，以及其良好的并联自均流特性（双极器件难以达到），使其成为大功率IGCT不可缺少的组成部分。1.6碳化硅器件的登场碳化硅是一种高温半导体材料，工作温度可达600。PN结耐压易于达到510kV。导通电阻比硅器件小得多。导热性比硅好。漏电流特别小。现在碳化硅制成的高压二极管、MOSFET管均已问世。估计在今后五年内，碳化
12、硅材料中的缺陷，特别是内部存在的“管道”（pipe）密度将得到明显减少，材料成本将大为下降，器件工艺更加成熟。到2012年，若干种功率碳化硅器件将在市场上出现并逐步得到普遍应用。器件是装置的基础，一代器件将推动一代整机的前进。在未来十年内，电力电子器件仍将是硅器件当家。碳化硅器件的发展速度受到碳化硅材料完整性的制约。2不断提高应用可靠性，抑制电应力是关键3在稳态工作的电气设备中，设计师总是可以把元件选择和系统设计得十分可靠，因为稳态的电能分布是可知的，可控的。但是在电力电子系统里，它的工作状态是经常变化的，在从一种稳态转入另一种稳态的过渡过程中，系统中的能量分布发生很大变化；另一方面，系统中的
13、功率半导体器件总是工作在频率越来越高的开关过程当中，产生很高的dv/dt和di/dt。这不仅使整个系统经常处在周期性重复的瞬态，而且随着开关频率的升高，器件开关过程中的损耗将远大于其稳态损耗。瞬态中能量在系统中的分布失衡，从而产生各种局部过电压和过电流（通常表现为电压、电流波形上的“毛刺”），通称“电应力”。这些电应力的存在意味着能量的局部集中，瞬时功耗很大但作用时间却很短，引起局部过热（超温）、绝缘层的疲劳击穿、电机轴电流的出现致使轴承的电烧蚀、功率半导体器件的突然损坏等灾难性后果。瞬态能量分布的失衡还常伴随着电流、电压波形的畸变，产生各种谐波。这不但污染电网、殃及电网上连接的其他电器，而且
14、在电力电子系统中引起谐波损耗、谐波谐振、谐波转矩等多种问题，直接危及本系统运行的可靠性。因此，分析研究电应力的出现原因，采取各种抑制电应力的措施，是提高电力电子应用可靠性的关键，是今后十年电力电子产品能得以迅速推广应用的重大问题。2.1不同时间常数子系统共存的电力电子系统的能量分布研究电力电子系统中存在着时间常数差异很大的若干子系统。子系统的时间常数表征着该系统的能量分布从一种稳态转为另一种稳态的过渡时间。例如，在电动机调速的现代电力电子系统中，存在着：（1）以秒计的机械时间常数表征的机电转换系统，它主要决定于转子和运动负载的转动惯量；（2）以毫秒计的电磁时间常数表征的电磁转换系统，它主要决定于定子、转子的电感（自感与互感）；（3）以微秒计的晶闸管、GTO等器件开关决定的主电路开关系统；（4）以纳秒计的IGBT、功率MOSFET等器件快速开关及某些拓扑中高频软开关环节决定的。一般地说，要用短于或等于某系统时间常数动作的措施来保护系统中的过电压、过电流。现在据了解皮秒级动作的新型压敏器件已经上市4。以上第一个系统的研究在经典的“电力拖动”课程中得到了比较充分的展开；第二个系统的
