電力電子器件發(fā)展概況及應(yīng)用現(xiàn)狀

電力電子器件發(fā)展概況及應(yīng)用現(xiàn)狀摘

要：

本文簡(jiǎn)單回顧了電力電子技術(shù)及其器件的發(fā)展過(guò)程，先容了現(xiàn)在主流的電力電子器件的工作原理、應(yīng)用范圍及其優(yōu)缺點(diǎn)，探討了在21世紀(jì)中新型電力電子器件的應(yīng)用展看。關(guān)鍵詞：

電力電子技術(shù)；晶閘管；功率集成電路；應(yīng)用

引

言電力電子技術(shù)包括功率半導(dǎo)體器件與IC技術(shù)、功率變換技術(shù)及控制技術(shù)等幾個(gè)方面，其中電力電子器件是電力電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)，也是電力電子技術(shù)發(fā)展的“龍頭”。從1958年美國(guó)通用電氣（GE）公司研制出世界上第一個(gè)產(chǎn)業(yè)用普通晶閘管開(kāi)始，電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機(jī)組和靜止的離子變流器進(jìn)進(jìn)由電力電子器件構(gòu)成的變流器時(shí)代，這標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生。

到了70年代，晶閘管開(kāi)始形成由低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品。同時(shí)，非對(duì)稱(chēng)晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等晶閘管派生器件相繼問(wèn)世，

廣泛應(yīng)用于各種變流裝置。由于它們具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，其研制及應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。由于普通晶閘管不能自關(guān)斷，屬于半控型器件，因而被稱(chēng)作第一代電力電子器件。在實(shí)際需要的推動(dòng)下，隨著理論研究和工藝水平的不斷進(jìn)步，電力電子器件在容量和類(lèi)型等方面得到了很大發(fā)展，先后出現(xiàn)了GTR、GTO、功率MOSET等自關(guān)斷、全控型器件，被稱(chēng)為第二代電力電子器件。近年來(lái)，電力電子器件正朝著復(fù)合化、模塊化及功率集成的方向發(fā)展，如IGPT、MCT、HVIC等就是這種發(fā)展的產(chǎn)物。電力整流管整流管產(chǎn)生于本世紀(jì)40年代，是電力電子器件中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、使用最廣泛的一種器件。目前已形成普通整流管、快恢復(fù)整流管和肖特基整流管等三種主要類(lèi)型。其中普通整流管的特點(diǎn)是：漏電流小、通態(tài)壓降較高（1

0～1

8V）、反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)（幾十微秒）、可獲得很高的電壓和電流定額。多用于牽引、充電、電鍍等對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求不高的裝置中。較快的反向恢復(fù)時(shí)間（幾百納秒至幾微秒）是快恢復(fù)整流管的明顯特點(diǎn)，但是它的通態(tài)壓降卻很高（1

6～4

0V）。它主要用于斬波、逆變等電路中充當(dāng)旁路二極管或阻塞二極管。肖特基整流管兼有快的反向恢復(fù)時(shí)間（幾乎為零）和低的通態(tài)壓降（0.3～0.6V）的優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)其漏電流較大、耐壓能力低，

常用于高頻低壓儀表和開(kāi)關(guān)電源。目前的研制水平為:普通整流管（8000V/5000A/400Hz）；

快恢復(fù)整流管（6000V/1200A/1000Hz）；

肖特基整流管（1000V/100A/200kHz）。電力整流管對(duì)改善各種電力電子電路的性能、降低電路損耗和進(jìn)步電源使用效率等方面都具有非常重要的作用。隨著各種高性能電力電子器件的出現(xiàn)，開(kāi)發(fā)具有良好高頻性能的電力整流管顯得非常必要。目前，人們已通過(guò)新奇結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和大規(guī)模集成電路制作工藝的運(yùn)用，研制出集PIN整流管和肖特基整流管的優(yōu)點(diǎn)于一體的具有MPS、SPEED和SSD等結(jié)構(gòu)的新型高壓快恢復(fù)整流管。

它們的通態(tài)壓降為1V左右，反向恢復(fù)時(shí)間為PIN整流管的1/2，反向恢復(fù)峰值電流為PIN整流管的1/3。普通晶閘管及其派生器件晶閘管誕生后，其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和工藝的改革，為新器件的不斷出現(xiàn)提供了條件。

1964年，雙向晶閘管在GE公司開(kāi)發(fā)成功，應(yīng)用于調(diào)光和馬達(dá)控制；1965年，小功率光觸發(fā)晶閘管出現(xiàn)，為其后出現(xiàn)的光耦合器打下了基礎(chǔ)；

60年代后期，大功率逆變晶閘管問(wèn)世，成為當(dāng)時(shí)逆變電路的基本元件；

1974年，逆導(dǎo)晶閘管和非對(duì)稱(chēng)晶閘管研制完成。普通晶閘管廣泛應(yīng)用于交直流調(diào)速、調(diào)光、調(diào)溫等低頻（400Hz以下）領(lǐng)域，運(yùn)用由它所構(gòu)成的電路對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行控制和變換是一種簡(jiǎn)便而經(jīng)濟(jì)的辦法。不過(guò)，這種裝置的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生波形畸變和降低功率因數(shù)、影響電網(wǎng)的質(zhì)量。目前水平為12kV/1kA和6500V/4000A。雙向晶閘管可視為一對(duì)反并聯(lián)的普通晶閘管的集成，常用于交流調(diào)壓和調(diào)功電路中。正、負(fù)脈沖都可觸發(fā)導(dǎo)通，因而其控制電路比較簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)是換向能力差、觸發(fā)靈敏度低、關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，其水平已超過(guò)2000V/500A。光控晶閘管是通過(guò)光信號(hào)控制晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的器件，它具有很強(qiáng)的抗干擾能力、良好的高壓盡緣性能和較高的瞬時(shí)過(guò)電壓承受能力，因而被應(yīng)用于高壓直流輸電（HVDC）、靜止無(wú)功功率補(bǔ)償（SVC）等領(lǐng)域。其研制水平大約為8000V/3600A。逆變晶閘管因具有較短的關(guān)斷時(shí)間（10～15s）而主要用于中頻感應(yīng)加熱。在逆變電路中，它已讓位于GTR、GTO、IGBT等新器件。目前，其最大容量介于2500V/1600A/1kHz和800V/50A/20kHz的范圍之內(nèi)。非對(duì)稱(chēng)晶閘管是一種正、反向電壓耐量不對(duì)稱(chēng)的晶閘管。而逆導(dǎo)晶閘管不過(guò)是非對(duì)稱(chēng)晶閘管的一種特例，是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。與普通晶閘管相比，它具有關(guān)斷時(shí)間短、正向壓降小、額定結(jié)溫高、高溫特性好等優(yōu)點(diǎn)，主要用于逆變器和整流器中。目前，國(guó)內(nèi)有廠家生產(chǎn)3000V/900A的非對(duì)稱(chēng)晶閘管。全控型電力電子器件門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）1964年，美國(guó)第一次試制成功了500V/10A的GTO。在此后的近10年內(nèi)，GTO的容量一直停留在較小水平，只在汽車(chē)點(diǎn)火裝置和電視機(jī)行掃描電路中進(jìn)行試用。自70年代中期開(kāi)始，GTO的研制取得突破，相繼出世了1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A的產(chǎn)品，目前已達(dá)9kV/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。GTO有對(duì)稱(chēng)、非對(duì)稱(chēng)和逆導(dǎo)三種類(lèi)型。與對(duì)稱(chēng)GTO相比，非對(duì)稱(chēng)GTO通態(tài)壓降小、抗浪涌電流能力強(qiáng)、易于進(jìn)步耐壓能力（3000Ｖ以上）。逆導(dǎo)型GTO是在同一芯片上將GTO與整流二極管反并聯(lián)制成的集成器件，不能承受反向電壓，主要用于中等容量的牽引驅(qū)動(dòng)中。在當(dāng)前各種自關(guān)斷器件中，GTO容量最大、工作頻率最低（1～2kHz）。GTO是電流控制型器件，因而在關(guān)斷時(shí)需要很大的反向驅(qū)動(dòng)電流；

GTO通態(tài)壓降大、dV/dT及di/dt耐量低，需要龐大的吸收電路。目前，GTO固然在低于2000V的某些領(lǐng)域內(nèi)已被GTR和IGRT等所替換，但它在大功率電力牽引中有明顯上風(fēng)；

今后，它也必將在高壓領(lǐng)域占有一席之地。大功率晶體管（GTR）GTR是一種電流控制的雙極雙結(jié)電力電子器件，產(chǎn)生于本世紀(jì)70年代，其額定值已達(dá)1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具備晶體管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、開(kāi)關(guān)損耗小、開(kāi)關(guān)時(shí)間短，在電源、電機(jī)控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應(yīng)用廣泛。GTR的缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。在開(kāi)關(guān)電源和UPS內(nèi)，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。功率MOSFET功率MOSFET是一種電壓控制型單極晶體管，它是通過(guò)柵極電壓來(lái)控制漏極電流的，因而它的一個(gè)明顯特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率小；

僅由多數(shù)載流子導(dǎo)電，無(wú)少子存儲(chǔ)效應(yīng)，高頻特性好，工作頻率高達(dá)100kHz以上，為所有電力電子器件中頻率之最，因而最適合應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源、高頻感應(yīng)加熱等高頻場(chǎng)合；沒(méi)有二次擊穿題目，安全工作區(qū)廣，耐破壞性強(qiáng)。功率MOSFET的缺點(diǎn)是電流容量小、耐壓低、通態(tài)壓降大，不適宜運(yùn)用于大功率裝置。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。復(fù)合型電力電子器件盡緣門(mén)極雙極型晶體管（IGBT）IGBT是由美國(guó)GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，當(dāng)時(shí)容量?jī)H500V/20A，且存在一些技術(shù)題目。經(jīng)過(guò)幾年改進(jìn)，IGBT于1986年開(kāi)始正式生產(chǎn)并逐漸系列化。至90年代初，IGBT已開(kāi)發(fā)完成第二代產(chǎn)品。目前，第三代智能IGBT已經(jīng)出現(xiàn)，科學(xué)家們正著手研究第四代溝槽柵結(jié)構(gòu)的IGBT。IGBT可視為雙極型大功率晶體管與功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的復(fù)合。通過(guò)施加正向門(mén)極電壓形成溝道、提供晶體管基極電流使IGBT導(dǎo)通；

反之，若提供反向門(mén)極電壓則可消除溝道、使IGBT因流過(guò)反向門(mén)極電流而關(guān)斷。IGBT集GTR通態(tài)壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快、輸進(jìn)阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)于一身，因此備受人們青睞。它的研制成功為進(jìn)步電力電子裝置的性能，特別是為逆變器的小型化、高效化、低噪化提供了有利條件。

比較而言，IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于功率MOSFET，卻明顯高于GTR；IGBT的通態(tài)壓降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；IGBT的電流、電壓等級(jí)與GTR接近，而比功率MOSFET高。目前，其研制水平已達(dá)4500V/1000A。由于IGBT具有上述特點(diǎn)，在中等功率容量（600V以上）的UPS、開(kāi)關(guān)電源及交流電機(jī)控制用PWM逆變器中，IGBT已逐步替換GTR成為核心元件。另外，IR公司已設(shè)計(jì)出開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)150kHz的WARP系列400～600VIGBT，其開(kāi)關(guān)特性與功率MOSFET接近，而導(dǎo)通損耗卻比功率MOSFET低得多。該系列IGBT有看在高頻150kHz整流器中取代功率MOSFET，并大大降低開(kāi)關(guān)損耗。IGBT的發(fā)展方向是進(jìn)步耐壓能力和開(kāi)關(guān)頻率、降低損耗以及開(kāi)發(fā)具有集成保護(hù)功能的智能產(chǎn)品。MOS控制晶閘管（MCT）MCT最早由美國(guó)GE公司研制，是由MOSFET與晶閘管復(fù)合而成的新型器件。每個(gè)MCT器件由成千上萬(wàn)的MCT元組成，而每個(gè)元又是由一個(gè)PNPN晶閘管、一個(gè)控制MCT導(dǎo)通的MOSFET和一個(gè)控制MCT關(guān)斷的MOSFET組成。MCT工作于超掣住狀態(tài)，是一個(gè)真正的PNPN器件，這正是其通態(tài)電阻遠(yuǎn)低于其它場(chǎng)效應(yīng)器件的最主要原因。MCT既具備功率MOSFET輸進(jìn)阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快的特性，又兼有晶閘管高電壓、大電流、低壓降的優(yōu)點(diǎn)。其芯片連續(xù)電流密度在各種器件中最高，通態(tài)壓降不過(guò)是IGBT或GTR的1/3，而開(kāi)關(guān)速度則超過(guò)GTR。此外，由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面積通斷，故MCT具有很強(qiáng)的導(dǎo)通di/dt和阻斷dV/dt能力，其值高達(dá)2000A/

s

和2000V/

s。其工作結(jié)溫亦高達(dá)150～200℃。已研制出阻斷電壓達(dá)4000V的MCT，75A/1000VMCT已應(yīng)用于串聯(lián)諧振變換器。

隨著性能價(jià)格比的不斷優(yōu)化，MCT將逐漸走進(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域并有可能取代高壓GTO，與IGBT的競(jìng)爭(zhēng)亦將在中功率領(lǐng)域展開(kāi)。功率集成電路（PIC）PIC是電力電子器件技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵接口元件。將功率器件及其驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、接口電路等外圍電路集成在一個(gè)或幾個(gè)芯片上，就制成了PIC。一般以為，PIC的額定功率應(yīng)大于1W。功率集成電路還可以分為高壓功率集成電路（HVIC）、智能功率集成電路（SPIC）和智能功率模塊（IPM）。HVIC是多個(gè)高壓器件與低壓模擬器件或邏輯電路在單片上的集成，由于它的功率器件是橫向的、電流容量較小，而控制電路的電流密度較大，故常用于小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)、平板顯示驅(qū)動(dòng)及長(zhǎng)途電話(huà)通訊電路等高電壓、小電流場(chǎng)合。已有110V/13A和550V/0.5A、80V/2A/200kHz以及500V/600mA的HVIC分別用于上述裝置。SPIC是由一個(gè)或幾個(gè)縱型結(jié)構(gòu)的功率器件與控制和保護(hù)電路集成而成，電流容量大而耐壓能力差，適合作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、汽車(chē)功率開(kāi)關(guān)及調(diào)壓器等。IPM除了集成功率器件和驅(qū)動(dòng)電路以外，還集成了過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等故障監(jiān)測(cè)電路，并可將監(jiān)測(cè)信號(hào)傳送至CPU，以保證IPM自身在任何情況下不受損壞。當(dāng)前，IPM中的功率器件一般由IGBT充當(dāng)。由于IPM體積小、可靠性高、使用方便，故深受用戶(hù)喜愛(ài)。IPM主要用于交流電機(jī)控制、家用電器等。已有400V/55kW/20kHzIPM面市。自1981年美國(guó)試制出第一個(gè)PIC以來(lái)，PIC技術(shù)獲得了快速發(fā)展；今后，PIC必將朝著高壓化、智能化的方向更快發(fā)展并進(jìn)進(jìn)普遍實(shí)用階段。電力電子器件發(fā)展展看新材料的應(yīng)用以上所述各種電力電子器件一般都是由硅（Si）半導(dǎo)體材料制成的。除此之外，近年來(lái)還出現(xiàn)了很多性能優(yōu)良的新型化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵（GaAs）、碳化硅（SiC）、磷化銦（InP）及鍺化硅（SiGe）等。由它們作為基礎(chǔ)材料制成的電力電子器件正不斷涌現(xiàn)。砷化鎵材料GaAs是一種很有發(fā)展遠(yuǎn)景的半導(dǎo)體材料。與Si相比，GaAs有兩個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①禁帶寬度能量為1.4eV，較Si的1.1eV要高。正因如此，GaAs整流元件可在350℃的高溫下工作（Si整流元件只能達(dá)200℃），具有很好的耐高溫特性，有利于模塊小型化；②GaAs材料的電子遷移率為8000cm2/Vs，是Si材料的5倍，因而同容量的器件幾何尺寸更小，從而可減小寄生電容，進(jìn)步開(kāi)關(guān)頻率（1MHz以上）。當(dāng)然，由于GaAs材料禁帶寬度大，也帶來(lái)正向壓降比較大的不利因素，不過(guò)其電子遷移率可在一定程度上補(bǔ)償這種影響。GaAs整流元件在Motorola公司的一些老用戶(hù)中間，廣泛用于制作各種輸出電壓（12V、24V、36V、48V）的DC電源，用于通訊設(shè)備和計(jì)算機(jī)中。預(yù)計(jì)，隨著200V耐壓GaAs整流器件生產(chǎn)工藝技術(shù)的改進(jìn)，器件將獲得優(yōu)化，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)不斷擴(kuò)大。碳化硅材料SiC是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，作為Si和GaAs的重要補(bǔ)充，可制作出性能更加優(yōu)異的高溫（300～500℃）、高頻、高功率、高速度、抗輻射器件。SiC高功率、高壓器件對(duì)于公電輸運(yùn)和電動(dòng)汽車(chē)的節(jié)能具有重要意義。已用SiC材料制作出普通晶閘管、雙極晶體管（BJT）、IGBT、功率MOSFET（175V/2A、600V/1

8A）、SIT（600MHz/225W/200V/fmax=4GHz）、PN結(jié)二極管（300K溫度下耐壓達(dá)4

5kV）和肖特基勢(shì)壘二極管（300K溫度下耐壓達(dá)1kV），廣泛運(yùn)用于火車(chē)機(jī)頭、有軌電車(chē)、產(chǎn)業(yè)發(fā)電機(jī)和高壓輸電變電裝置中。磷化銦材料InP是一種ⅢⅤ族化合物半導(dǎo)體材料，是繼Si和GaAs之后的新一代電子功能材料。它具有更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率、高場(chǎng)下更高的電子均勻速度，且表面復(fù)合速率比GaAs低幾乎3個(gè)數(shù)目級(jí)，使得InPHBT可在低電流下工作，可作為高速、高頻微波器件的材料，頻率可達(dá)340GHz。鍺化硅材料據(jù)報(bào)道，德國(guó)T