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1、 三相电压型逆变器一电力电子器件的发展：1.概述：1957 年可控硅( 晶闸管)的问世，为半导体器件应用于强电领域的自动控制迈出了重要的一步，电力电子开始登上现代电气传动技术舞台，这标志着电力电子技术的诞生。20 世纪 60 年代初已开始使用电力电子这个名词，进入 70 年代晶闸管开始派生各种系列产品，普通晶闸管由于其不能自关断的特点，属于半控型器件，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，以门极可关断晶闸管（GTO） 、电力双极性晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展，被称作第二代电力电子器件。80 年代后期，以绝缘栅极双
2、极型晶体管（IGBT）为代表的复合型第三代电力电子器件异军突起，而进入 90年代电力电子器件开始朝着智能化、功率集成化发展，这代表了电力电子技术发展的一个重要方向电子技术被认为是现代科技发展的主力军，电力电子就是电力电子学，又称功率电子学，是利用电子技术对电力机械或电力装置进行系统控制的一门技术性学科，主要研究电力的处理和变换，服务于电能的产生、输送、变换和控制。 （电力电子的发展动向）电力电子技术包括功率半导体器件与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” 。 电力电子器件(Power Electronic Dev
3、ice)又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控创电路中的大功率(通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)电子器件。广义上电力电子器件可分为电真空器件(Electron Device)和半导体器件(Semiconductor Device)两类。2.发展：A.整流管：整流管是电力电子器件中结构最简单、应用最广泛的一种器件。目前主要有普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管三种类型。电力整流管在改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面发挥着非常重要的作用。目前，人们已通过新颖结构的设计和大规模集成电路制作工艺的运用，研制出集 PIN 整流管和肖特基整流管的优点于一体的
4、具有 MPS、SPEED 和 SSD 等结构的新型高压快恢复整流管。它们的通态压降为 IV 左右，反向恢复时间为 PIN 整流管的 1/2，反向恢复峰值电流为 PIN 整流管的 1/3。B.晶闸管：自 1957 年美国通用电气公司 GE 研制出第一个晶闸管开始，其结构的改进和工艺的改革，为新器件开发研制奠定了基础，其后派生出各种系列产品。1964 年，GE 公司成功开发双向晶闸管，将其应用于调光和马达控制；1965 年，小功率光触发晶闸管问世，为其后出现的光耦合器打下了基础；60 年代后期，出现了大功率逆变晶闸管，成为当时逆变电路的基本元件；逆导晶闸管和非对称晶闸管于 1974 年研制完成。C
5、.门极可关断晶闸管：GTO 可达到晶闸管相同水平的电压、电流等级，工作频率也可扩展到 1kHz。1964 年，美国第一次试制成功了 0.5kV/10A 的 GTO。自 70 年代中期开始，GTO 的研制取得突破，相继出世了1300V/600A、25OOV/I000A 、4500V/2400A 的产品，目前已达到9kV/25kA/0.8kHz 及 6 kV/6kA/1kHz 的水平。 GTO 包括对称、非对称和逆导三种类型。非对称 GTO 相对于对称 GTO，具有通态压降小、抗浪涌电流能力强、易于提高耐压能力(3000v 以上)的特点。逆导型 GTO，由于是在同一芯片上将 GTO 与整流二极管反
6、并联制成的集成器件，因此不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中。 在当前各种自关断器件中，GTO 容量最大，工作频率最低， 通态压降大、/dvdt 及/didt 耐量低，需要庞大的吸收电路。但其在大功率电力牵引驱动中有明显的优势，因此它在中高压领域中必将占有一席之地。D.大功率晶体管：GTR 是一种电流控制的双极双结电力电子器件，20 世纪 70 年代中期，双极性晶体管(BJT)扩展到高功率领域，产生大功率晶体管(GTR)，它由基极(B) 电流 bi 的正、负控制集电极 (C)和发射极(E)的通、断，也属全控型器件。由于能承受上千伏电压，具有大的电流密度和低的通态压降，曾经风靡一时，在
7、 20 世纪七八十年代成为逆交器、变频器等电力电子装置的主导功率开关器件，开关频率可达 5kHz。但是 GTR 存在许多不足:对驱动电流波形有一定要求，驱动电路较复杂；存在局部热点引起的二次击穿现象，安全工作区(SOA)小；通态损耗和关断时存储时间(st) 存在矛盾，要前者小必须工作于深饱和，而如深饱和，st 便长，既影响开关频率，又增加关断损耗大;承受/dvdt 及/didt 能力低;单管电流放大倍数小，为增加放大倍数，联成达林顿电路又使管压降增加等等，而为改善性能(抑制/dvdt 及/didt，改变感性负载时的动态负载线使在 SOA 内，减小动态损耗)，运用时必须加缓冲电路。目前的器件水平
8、约为：1800V/800A，2kHz；1400V/600A，2kHz；600V/3A，100kHz。E.功率 MOSFET:功率 MOSFET 是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小；仅由多数载流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达100kHz 以上，为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合；没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。功率 MOSFET 的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。顺便强调一下，由于 MOSFET 管内阻与电压成比例，它在
9、要求低压(331V) 电源的电脑和通信等领域则可大显身手，目前MOSFET 的导通电阻可减小至 610m，主要用于高频开关电源的同步电流。F.绝缘栅双极晶体管（IGBT）20 世纪 80 年代绝缘栅双极晶体管是一种复合型器件，综合了少子器件(G T O、G T R)和多子器件 (MOSFET)各自的优良特性，既有输入阻抗高，开关速度快，驱动电路简单的优点，又有输出电流密度大，通态压降下，电压耐量高的长处。 IGBT 可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使IGBT 导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使 IGBT 因流过反向门
10、极电流而关断。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，因此备受人们青睐。它的研制成功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。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，但比功率 MOSFET 低得多；IGBT 的电流、电压等级与 GTR接近，而比功率 MOSFET 高。由于 IGBT 具有上述特点，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
11、已逐步替代 GTR 成为核心元件。 IGBT 早已做到1800V/800A，10kHz;1200V/600A，20kHz 的商品化，600V/100A 的硬开关工作频率可达 150kHz。高压 IGBT 已有 3300V/1200A 和4500V/900A 的器件。由于 IGBT 的综合优良性能，事实上已取代了GTR，现在成为中、小功率逆变器、变频器等成为了电力电子装置的主流器件。目前，已经研制出的高功率沟槽栅结构 IGBT(Trench IGBT)模块是高耐压大电流 IGBT 通常采用的结构，它避免了大电流 IGBT 模块内部大量的电极引线，提高了可靠性和减少了引线电感.其缺点是芯片面积利用
12、率下降.所以这种平板结构的高压大电流 IGBT 模块将在高压、大功率变流器中获得广泛应用。3.软开关与硬开关：硬开关：1.开关损耗大。开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速增加。2.感性关断电尖峰大。当器件关断时，电路的感性元件感应出尖峰电压，开关频率愈高，关断愈快，该感应电压愈高。此电压加在开关器件两端，易造成器件击穿。3.容性开通电流尖峰大。当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率愈高，开通电流尖峰愈大，从而引起器件过热损坏。另
13、外，二极管由导通变为截止时存在反向恢复期，开关管在此期间内的开通动作，易产生很大的冲击电流。频率愈高，该冲击电流愈大，对器件的安全运行造成危害。4.电磁干扰严重。随着频率提高，电路中的 di/dt 和 dv/dt 增大，从而导致电磁干扰（EMI）增大，影响整流器和周围电子设备的工作。软开关：上述问题严重阻碍了开关器件工作频率的提高。近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷提供了一条有效的途径。和硬开关工作不同，理想的软关断过程是电流先降到零，电压在缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关断问题。理想的软开通过程是电压先降到零，电流在缓慢上升到通态值，所
14、以开通损耗近似为零，器件结电容的电压亦为零，解决了容性开通问题。同时，开通时，二极管反向恢复过程已经结束，因此二极管方向恢复问题不存在。4.应用与展望：电力电子应用领域十分广泛，用电领域中的电力电子技术有电动机的优化运行、高能量密度的电源应用；信息领域中电力电子技术为信息技术提供先进的电源和运动控制系统，日益成为信息产品中不可缺少的一部分；发电领域中的电力电子技术有发电机的直流励磁、水轮发电机的变频励磁、环保型能源发电；储能领域中的电力电子技术有蓄电池与电容器组储能、抽水储能发电、超导线圈的磁场储能；输电领域中的电力电子技术有动态无功功率补偿（SVC）技术、高压直流输电（HVDCT）技术、消除
15、谐波改善电网供电品质等。近年来，电力电子的环境及产业都有了很大的变化。整体而言，电力电子技术的发展在许多应用领域上获得了认同。 然而，任何器件的发展，总是决定于两个因数，一是应用的需要，一是器件本身在理论上和工艺上的突破。电力电子器件的发展也是这样，它大致有如下几个方面：A.现有器件扩大容量提高性能。例如 GTO，采用大直径均匀技术和全压接式结构，通过电子寿命控制，折衷通态电压和关断损耗二者之间矛盾，可望开发出 12kV/10kA 的器件。例如 IGBT，探索内部功率引线尽量由超声压焊或改压接式结构，以进一步提高工作可靠性。 B.开发新的器件。一是根据器件本身的特点提出。例如 MOS 门控晶闸
16、管(MCT)，虽经十几年的研制，由于结构、工艺复杂，合格率低，成本高，没有达到期望的 4.5kV/2kA 的水平而暂被搁置，但有望具有 MOS 管优良的开关特性和晶闸管非常低的通态压降，并易于得到高的耐压，仍可能继续研制。C.是为了满足一些新的应用需要。例如为适用于传递极强的峰值功率(数兆瓦)、极短的持续时间 (数百纳秒)的放电闭合开关应用场合，如激光器、高强度照明、放电点火、电磁发射器和雷达调制器需要，提出一种脉冲功率闭合开关晶闸管(PPCST)，它能在数千伏的高压下快速开通，不需要放电电极，具有很长的使用寿命，体积小，价格较低，可望取代目前尚在应用的高压离子闸流管、引燃管，火花间隙开关或真空开关等。D.走集成化之路。经历标准模块、智能模块，现在又发展到用户专用功率模块(ASPM) 阶段。ASPM 是把一台( 套)电力电子装置(系统)的所有硬件尽量以芯片形式封装在一个模块内。这样，装置(或系统)的体积达到最小，所有引线减至最少，寄生电感、电容降到最低，可靠性大为提高。它将有助于实现电能变换
