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1、引引 言言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” 。从 年 美国通用电气 公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始,电能的变换和控制从旋转 的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代,这标志着电力电子 技术的诞生。到了 70 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
2、用得到了飞速发展。由于普通晶闸管不能自关断,属于半控型器件,因而被称作第一 代电力电子器件。在实际需要的推动下 ,随着理论研究和工艺水平的不断提高,电力电子器 件在容量和类型等方面得到了很大发展,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。近年来,电力电子器件正朝着复合化、模块化及功 率集成的方向发展,如 GPT，MCT，HVIC 等就是这种发展的产物。 普通晶闸管及其派生器件普通晶闸管及其派生器件晶闸管诞生后,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,应用于调光和马达控制。1
3、965 年 ,小功率光触发晶闸管出 现 ,为其后出现的光祸合器打下了基础 60 年代后期,大功率逆变晶闸管问世,成为当时逆变 电路的基本元件 。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、调温等低频等领域,运用由它所构成的电路 对电网进行控制和变换是一种简便而经济的办法。不过,这种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 6500V/4000A。 双向晶闸管可视为一对反并联的普通晶闸管的集成,常用于交流调压和调功电路中。正、 负脉冲都可触发导通 ,因而其控制电路比较简单。其缺点是换向能力差、触发灵敏度
4、低、 关断时间较长,其水平己超过 2000V/500A 。 光控晶闸管是通过光信号控制晶闸管触发导通的器件,它具有很强的抗干扰能力、良好 的高绝缘性能和较高的瞬时过电压承受能力,因而被应用于高压直流输电 、静止无功功率 补偿 等领域。其研制水平大约为 8000V/3600A 。 逆变晶闸管因具有较短的关断时间 一 而主要用于中频感应加热。在逆变电路中,它己 让位于 GTR 、GTO 、IGBT 等新器件。目前,其最大容量介于 2500V/1600A 和 800V/50A/20KHz 的范围之内。 非对称晶闸管是一种正、反向电压耐量不对称的晶闸管。而逆导晶闸管不过是非对称 晶闸管的一种特例 ,是
5、将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。与 普通晶闸管相比,它具有关断时间短、正向压降小、额定结温高、高温特性好等优点,主要用 于逆变器和整流器中。目前,国内有厂家生产 3000V/900A 的非对称晶闸管。 全控型电力电子器件全控型电力电子器件门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1964 年,美国第一次试制成功了 500V/10A 的 GTO。在此后的近 10 年内,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进行试用。自 70 年代中期开始, GTO 的研制取得突破,相继出世了 1300V/600A 、2500V/1000A 、4500V/2000A 的产
6、品,目前已达 9KV/25KA/800Hz 及 6Hz/6KA 的水平。GTO 有对称、非对称和逆导三种类型。与 对称 下 相比,非对称通态压降小、抗浪涌电流能力强、易于提高耐压能力。逆导型 GTO 是在同一芯片上将 GTO 与整流二极管反并联制成的集成器件,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。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/dt 耐量低 ,需要庞大的吸收电 路。目前,GTO 虽然在低于 2000V 的某些领域内己被 GTR 和 GRT 等所替代,但它在大功率
7、电力牵引中有明显优势 今后 ,它也必将在高压领域占有一席之地。大功率晶体管（大功率晶体管（GTR）GTR 是一种电流控制的双极双结电力电子器件,产生于本世纪 70 年代,其额定值已达 1800V/800A/2KHz 、1400V/600A/5KHz 、600V/3A/100KHz 。它既具备晶体管的固有特 性,又增大了功率容量,因此,由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短,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。GTR 的缺点是驱动 电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和 UPS 内,下 正逐步被 功率 MOSFET 和 GBT 所
8、代替。功率功率 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 下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。 目前制造水平大概是 1KV/2A/2MHz 和 60V/200A/2MHz。 复合型电力电子器件复合型电力电子器件绝缘门极双极型晶体管（
9、绝缘门极双极型晶体管（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 ,且 存在一些技术问题。经过几年改进,IGBT 于 1986 年开始正式生产并逐渐系列化。至 90 年 代初 ,已开发完成第二代产品。目前,第三代智能 IGBT 已经出现 ,科学家们正着手研究第 四代沟槽栅结构的 IGBT 。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 因流过反向门极电流而关断。IGBT 集 GTR 通态
10、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， 目前，其研制水平已达 4500V/1000A 。由于 IGBT 具有上述特点,在中等功 率容量 以上 的 UPS、开关电源及交流电机控制用 PWM 逆
11、变器中,IGBT 己逐步替代 GTR 成为核心元件。另外,公司已设计出开关频率高达 150KHz 的 WARP 系列 400 一 600VIGBT ,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。IGBT 的发展方向是提高耐压能力和开关频率、降低损耗以及开发具有集成保护功能的智 能产品。MOS 控制晶闸管（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 丁 器件由成千上万的 MCT 元组成,而每个元
12、又是由一个 PNPN 晶闸管、一个控制 MCT 导通 的 MOSFET 和一个控制 MCT 关断的 MOSFET 组成。MCT 工作于超掣住状态,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。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 GTR1/3 的 ,而 开关速度则超过 GTR。此外,由于 MCT 中的 MOSFET 元能控制 MCT 下芯片的全面积通断, 故 MCT 具有很强的导通 di/dt 和阻断 dv/d
13、t 能力,其值高达 2000A/us 和 2000V/us。其工作 结温亦高达 150 一 200 。 已研制出阻断电压达 4000V 的 MCT, 75A/1000VMCT 已应用于串联谐振变换器。随着 性能价格比的不断优化 ,下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。功率集成电路（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
14、高压功率集 成电路 、智能功率集成电路和智能功率模块。 HVIC 是多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路在单片上的集成,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,故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。己有 110V/13A 和 550V/0.5A 、80V/2A/200KHz 以及 500V/600MA 的 HVIC 分别用于上述装置。 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。 IPM 除了集成功率器件和驱动电路以外 还集成了过压 过
15、流、过热等故障监测电路,并 可将监测信号传送至 CPU ,以保证 CPU 自身在任何情况下不受损坏。当前 IPM 中的功率器 件一般由 IGBT 充当。由于 IPM 体积小、可靠性高、使用方便,故深受用户喜爱。旧主要用 于交流电机控制、家用电器等。己有 400V/55KW/20KHz IPM 面市。 1981 年美国试制出第一个 PIC 以来,技术获得了快速发展 今后 ,PIC 必将朝着高压化、 智能化的方向更快发展并进入普遍实用阶段。 电力电子器件发展展望电力电子器件发展展望新材料的应用新材料的应用以上所述各种电力电子器件一般都是由硅半导体材料制成的。除此之外,近年来还出 现了很多性能优良的
16、新型化合物半导体材料,如砷化嫁 。 碳化硅 、磷化锢 及锗化硅等。 由它们作为基础材料制成的电力电子器件正不断涌现。砷化稼材料砷化稼材料GaAs 是一种很有发展前景的半导体材料。与 Si 相 比, GaAs 有两个独特的优点 禁带宽度能量为 1.4ev ,较 Si 的 101ev 要高。正因如此 , GaAs 整流元件可在 350 的高温 下工作 ,具有很好的耐高温特性,有利于模块小型化 GaAs 材料的电子迁移率为 8000cm/vs ,是 Si 材料的 5 倍,因而同容量的器件几何尺寸更小,从而可减小寄生电容,提高开 关频率。 当然,由于 GaAs 材料禁带宽度大,也带来正向压降比较大的不利因素,不过其电子迁 移率可在一定程度上补偿这种影响。 GaAs 整流元件在 Motorola 公司的一些老用户中间,广泛用于制作各种输出电压的 DC 电源 ,用于通信设备和计算机中。预计,随着 200V 耐压整流器件生产工艺技术的改进,器件 将获得优化,应用领域将会不断扩大。碳化硅材料碳化硅材料SiC 是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料,作为 Si 和 GaAs 的重要补充
