电力电子器件的发展与应用b

1、电力电子器件的发展与应用0 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”。电力电子器件又称为功率半导体器件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）。我们的生活与电力电子技术息息相关，事实表明，无论是电力、机械、矿冶、交通、石

2、油、能源、化工、轻纺等传统产业，还是通信、激光、机器人、环保、原子能、航天等高技术产业，都迫切需要高质量、高效率的电能。而电力电子正是将各种一次能源高效率地变为人们所需的电能。它是实现节能环保和提高人民生活质量的重要手段，它已经成为弱电控制与强电运行之间、信息技术与先进制造技术之间、传统产业实现自动化、智能化改造和兴建高科技产业之间不可缺少的重要桥梁。所以，电力电子是我国国民经济的重要基础技术，是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。时至今日，无论高技术应用领域还是传统产业，特别是我国一些重大工程（三峡、特高压、高铁、西气东输等），乃至照明、家电等量大面广的与人民日常生活密切相关的应用领域，电力

3、电子产品已经无所不在。1 电力电子器件的现状和发展1.1 概述 一个理想的功率半导体器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，能导通高的电流密度并具有低的导通压降；在开关状态和转换时，具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和du/dt，具有低的开关损耗；运行时具有全控功能和良好的温度特性。自20世纪50年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈努力，并已取得了世人瞩目的成就。早期的大功率变流器，如牵引变流器，几乎都是基于晶闸管的。到了20世纪80年代中期，4.5kV的可关断晶闸管（gate turn-off thyrist

4、or， GTO）得到广泛应用，并成为在接下来的10年内大功率变流器的首选器件，一直到绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor， IGBT）的阻断电压达到 3.3 kV 之后，这个局面才得到改变。与此同时，对GTO 技术的进一步改进导致了集 成门极换流晶闸管，（intergrated gate commutated thyristor， IGCT）的问世，它显示出比传统 GTO 更加显著的优点。目前的 GTO 开关频率大概为 500Hz，由于开关性能的提高，IGCT 和大功率 IGBT 的开通和关断损耗都相对较低，因此可以工作在13 kHz的开关频率

5、下。至 2005年，以晶闸管为代表的半控型器件已达到70 MW/9 000 V 的水平，全控器件也发展到了非常高的水平。当前，硅基电力电子器件的水平基本上稳定在1091010WHz左右，已逼近了由于寄生二极管制约而能达到的硅材料极限。不难理解，更高电压、更好开关性能的电力电子器件的出现，使在大功率应用场合不必要采用很复杂的电路拓扑，这样就有效地降低了装置的故障率和成本。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

6、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1V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

7、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

8、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

9、必将占有一席之地。1.2.4 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

10、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/800A，2kHz；1400V/600A，2kHz；600V/3A，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

11、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

12、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MOSFET，却明显高于GTR；IGB

13、T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/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

14、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。 电力电子器件的应用2.1 电力系统为了控制和改善供电质量，发电厂发出的交流电必须经过电力电子装置的处理后送到用户端，没有电力电子器件的应用，就没有电力系统的现代化。从技术层面来讲，电力市场的引入将产生对电力品质的改善装置，如不间断电源（UPS）、静止无功补偿装置（SVC）、静止无功发生器（SVG)、动态电压恢复器（D

15、VR)、电力有源滤波器（APF）、限流器、电力储能装置、微型燃气发电机（Micro Cas Turbo）等新需求；再生能源、环保发电技术等分散发电将需要交直流变流装置。2. 2 新能源利用与环境保护电力电子器件装置还用于太阳能发电、风力发电装置与电力系统的联网，以及太阳能发电与风力发电电能的改善。2.3 混合动力汽车由于电力电子器件应用技术的迅速发展，交流电动机的调速性能可以和直流电动机相媲美。在工业电动机的控制中，交流调速、直流调速以及节能和软起动都是通过电力电子器件实现的。2.4 交通运输铁道电气化、电力机车控制、磁悬浮列车的使用都离不开电力电子器件，高级汽车中许多电机的控制是靠变频或斩波

16、实现的。电动汽车的电动机控制和蓄电池充电也是靠电力电子装置实现，飞机、船舶、电梯等都离不开电力电子装置。2.4 电源不间断电源、电解电源、电镀电源、开关电源、微机及仪器仪表电源、航空电源、通信电源、交流电子稳压电源、脉冲功率电源、动力牵引及传动控制用电源都是靠变流技术实现的。2.5 家用电器用于家庭照明的LED节能灯，体积小、发光效率高、节省能量多，这是通过电力电子器件把交流电转换成电力电子照明电源来实现的。此外，变频空调、电视机、音响、洗衣机、电冰箱、微波炉、计算机等都离不开电力电子器件的应用。3 小结与看法1）电力电子是我国国民经济的重要基础技术，是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。时至

17、今日，无论高技术应用领域，还是传统产业，特别是我国一些重大工程（三峡、特高压、高铁、西气东输等），乃至照明、家电等量大面广的与人民日常生活密切相关的应用领域，电力电子产品已经无所不在。 2）传统的硅基电力电子器件已经逼近了由于寄生二极管制约而能达到的硅材料极限，为突破目前的器件极限，有两大技术发展方向：一是采用各种新的器件结构；二是采用宽能带间隙材料的半导体器件，如SiC或GaN器件。 3）以硅晶闸管为代表的半控型器件已达到70 MW/9 000 V的水平，虽然它受到了全控器件应用的冲击，但由于它技术的成熟性和价格优势，今后仍旧有较好的市场前景，特别在高电压、大电流应用场合还会得到继续发展。

18、4）硅基全控型电力电子器件本身的技术、制造工艺虽然发展空间已经不太大了，可是它们的待开发的应用空间仍旧十分广阔，应用市场前景无 限好。 5）SiC和GaN宽禁带电力电子器件代表着电力电子器件领域发展方向，材料和工艺都存在许多问题有待解决，即使这些问题都得到解决，其价格还是比硅基的贵。由于它们的优异特性，可能主要用于中高端应用。从长远看，将来有可能形成如下一种格局：SiC电力电子器件将主要用于1 200 V以上的高压工业应用领域；预计到2019年，硅基GaN的价格可能下降到可与硅材料相比拟的水平，GaN电力电子器件将主要用于900 V以下的消费电子、计算机/服务器电源应用领域。 6）对于当前电力电子应用装置/系统的诸多热点问题(绿色能源应用、电动汽车、LED照明)，我们应当理性思考，抓住发展机遇，挑战电力电子技术应用的明天。参考文献1 张立等现代电力电子器件M 北京: 科学出版社2 王锡吉. 可靠性工程技术M 北京: 电子工业出版社. 19953 解广润. 电力系统过电压M . 北京: 水利水电出版社. 19854 苗宏. 大功率器件的发展和IGCT 的优点J . 电力电子商情,2000 (2) :11214. 5 正田英介. 电力电子学M . 北京:科