电力电子器件的发展

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1、电力电子器件的发展浅析引言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 Device）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

2、电子器件可分为电真空器件（Electron Device）和半导体器件（Semiconductor Device）两类。1电力电子器件1.1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-MOSF

3、ET）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。1.2发展1.2.1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

4、于一 体的具有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。1.2.2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。晶闸管只能由门极控制导

5、通，导通后门极便失去控制作用，因此称之为半控型器件，普 通晶闸管（Thysister）是目前阻断电压最高、流过电流最大、承受dv / dt、di/dt能力最强的 电力电子器件，现在已能生产8kV/4kA和6kV/6kA的晶闸管。但由于PN结的载流子积蓄 效应，开关频率只能在500Hz以下。1.2.3门极可关断晶闸管(GTO)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1 kHz。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

6、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、dv / dt及di / dt 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。1.2.4大功率晶体管(GTR)GTR是

7、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i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(t )存在矛盾，要前者小必须工作于深饱和，而如深饱和，t便长， 既影

8、响开关频率，又增加关断损耗大;承受dv / dt及di / dt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dv / dt及 di / dt，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。目前的器件水平约为：1800V/800 A，2kHz； 1400V/600 A，2kHz； 600V/3 A，100kHz。1.2.5 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

9、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，它在要求低压(3. 31V)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。1.2.6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

10、)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MOS

11、FET，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已逐步替代GTR成为核心元件。IGBT 早 已做到 1800V/800 A，10kHz;1200V/600 A，20kHz 的商品化，600V/100 A 的 硬开关工作频率可达150kHz。高压IGBT已有3300V/1200A和4500V/900 A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

12、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。2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、

13、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：一、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

14、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。二、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。二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

15、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。三、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和信息处理的集成化和高频化。四、寻找新材料。至今，许多实用的电力电子器件均是

16、由硅材料制成的，它们已发展得 相当成熟。为了进一步实现对理想功率器件特性的追求，人们逐渐转向对新型半导体材料制 作新型半导体功率器件的探求，近年来还出现了很多性能优良的新型化合物半导体材料，如 砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、磷化铟(InP)及错化硅(SiGe。由它们作为基础材料制成的电 力电子器件正不断涌现。3结束语电力电子器件作为电力电子技术发展的主导器件，是电力电子技术的发展的决定性因 素，必将推动电力电子技术的飞速发展，电力电子器件的发展将会日新月异，电力电子器件 的未来将充满生机口。参考文献1 高艳青.电力电子器件发展与展望J.电脑与电信，2007，(10)： 15-172 冷增祥.电力电子器件J.电气时代，2003，(08)： 34-373 耿文学.电力电子的发展动向J.电气时代，2004，(01)： 26-274 蒋超，陈海民.电力电子器件发展概况及应用现状J