各种电力电子器件技术特点的比较及应用

1、电力牵引交流传动及其控制系统报告 各种电力电子器件技术特点的比较及其应用电力电子器件及其应用装置已日益广泛，这与近30 多年来电力电子器件与电力电子技术的飞速发展和电力电子的重要作用密切相关。20 世纪80 年代以后，电力电子技术等)的飞速发展，给世界科学技术、经济、文化、军事等各方面带来了革命性的影响。电子技术包含两大部分：信息电子技术(包括：微电子、计算机、通信等)是实施信息传输、处理、存储和产生控制指令；电力电子技术是实施电能的传输、处理、存储和控制，保障电能安全、可靠、高效和经济地运行，将能源与信息高度地集成在一起。事实表明，无论是电力、机械、矿冶、交通、石油、能源、化工、轻纺等传统产

2、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，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。而新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。电力电子器件就好像现代电力电子装置的心脏，它对装置的总价值，尺寸、重量、动态性能，过载能力，耐用性及可靠性等，起着十分重要的作用。因此，新型电力电子器件及其相关新型半导体材料的研究，一直是电力电子领域极为活跃的主要课题之

3、一。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的

4、阻断电压达到3.3kV 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 和功率IGBT 的开通和关断损耗都相对较低，因此可以工作在13kHz 的开关频率下。至2005 年，以晶闸管为代表的半控型器件已达到70MW/9000V 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

5、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电力电子器件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）。电力电子器件目前的制约因素有耐压，电流容量，开关的速度。电力电子器件的分类多种多样。按照电力电子器件的开关控制能力，电力电子器件可分为三类：不可控器件、半控型器件、全控型器件。按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质不同，又可以将电力电子器件分为电流控制型和电压控制型。根据电力电子器件内部载流子的类型，可将电力电子器件分为单极型、双极型和复合型三类。1.1

6、现代电力电子器件1.1.1不可控器件这是一类不能用控制信号来控制其通、断的电力电子器件，因此也就不需要驱动电路。这类器件的典型代表是电力二极管。电力二极管（Power Diode）在20世纪50年代初期就获得应用，当时也被称为半导体整流器；它的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都以半导体PN结为基础，实现正向导通、反向截止的功能；电力二极管是不可控器件，其导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。优点是其结构和原理简单，工作可靠。1.1.2 半控型器件这是一类可以通过控制端来控制器件的开通，但不能控制其关断的电力电子器件。这类器件的典型代表是晶闸管及其派生器件。晶

7、闸管（SCR）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电气公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极； 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。但是，晶闸管作为半控型器件，只能通过门极控制其开通，不能控制其关断，要关断器件必须通过强迫换相电路，从而使整个装置体积增加，复杂程度提高，效率降低。另外，晶闸管为双极型器件，有少子存储效应，所以工作频率低, 一般低于400Hz

8、。由于以上这些原因，使得 晶闸管的应用受到很大限制。虽然晶闸管有以上一些缺点，但由于承受电压和电流容量在所有器件中最高，使它在高压直流输电、静止无功补偿(SVC)、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速等方面的应用仍占有十分重要的地位。1.1.3 全控型器件这是一类既可以控制其开通，又可以控制其关断的电力电子器件。与半控型器件相比，这类器件可以通过控制端实现器件的关断，因此又称为自关断器件。属于这类器件的有：电力场效应晶体管（电力MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO）、集成门极换向晶闸管（IGCT）、电子注入增强栅晶体管（IEGT）等。1） 电力场效应晶体管

9、电力场效应晶体管分为两种类型，结型和绝缘栅型，但通常所说的是绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力MOSFET（Power MOSFET），P-MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流，它的显著特点是驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快，工作频率高；但是其电流容量小，耐压低，只用于小功率的电力电子装置，其工作原理与普通MOSFET一样。2）绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是具有电力MOSFET的高速开关特性和双极性晶体管的低导通电压特性两方面优势的电力电子器件。由于IGBT可以高速开关并且耐高电压和大电流，所以在电力电子设备中

10、它已成为重要的器件。IGBT的开关速度高，开关损耗小。当电压在1000V以上时，IGBT的开关损耗与电力MOSFET相当，只有GTR的10%。在相同电压、电流定额的情况下，IGBT的安全工作区域比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。IGBT的通态压降在1/2或1/3额定电流以下区段具有负的温度系数，而在其以上区段具有正的温度系数。因此，在额定电流附近IGBT易于并联，而且通态压降比电力MOSFET低，特别是在电流较大的区域。IGBT的输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐高电压和大电流值还可进一步提高，并保持开关频率高的特点。IGBT的不

11、足之处在于高压IGBT的导通电阻较大，导致导通损耗大，在高压应用领域，通常需要多个串联，并且过压、过流、抗冲击、抗干扰等承受能力较低。3）大功率晶体管大功率晶体管(GTR)也称巨型晶体管，是三层结构的双极全控型大功率高反压晶体管，它具有自关断能力，控制十分方便，并有耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低等优点，在许多电力变流装置中得到应用。 GTR 是一种电流控制型器件，所需驱动功率较大，驱动电路较复杂，且由于其固有的“二次击穿”问题，其安全工作区受各项参数影响而变化，所以，GTR存在热容量小、过流能力低等缺点。目前，GTR 已经基本被 GTO 取代。4）门极可关断晶闸管GTO是上

12、个世纪60年代初问世的，在此后的三四十年内得到了很大的发展，至今仍是重要的电力半导体器件。传统GTO的基本结构与普通晶闸管一样，也是4层3端结构，它几乎具有晶闸管的全部优点。但它的门极不仅具有普通晶闸管控制阴阳极主回路导通的能力，而且当在门极上施加负电压时，能使处于导通状态的晶闸管转变为关断状态，重新恢复阻断能力，实现门极关断，为全控型器件。为了改善关断特性，GTO器件均采用多个子器件并联的方式，即在同一硅片上，制作成千上万个细小的GTO子器件，它们有共同的门极，阴极相互分开独立，采用适当的封装结构，将这些子器件并联在一起， 器件外观和大功率普通晶闸管完全一样。 GTO优点是电压、电流容量大，

13、适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺点是电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低。5） 集成门极换向晶闸管 集成门极换向晶闸管（IGCT）是一种用于大型电力电子装置中的新型电力电子器件。它的应用使电力电子装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了很大改进，给电力电子装置带来了新的飞跃。IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，它结合了晶体管和晶闸管两种器件的优点，即晶体管稳定的关断能力和晶闸管的低通态损耗的一种新型器件。IGCT在导通期间发挥晶

14、闸管的性能，在关断阶段则呈现类似晶体管的特性。IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低的特点。此外，IGCT还像GTO一样，具有制造成本低和成品率高的特点，有极好的应用前景，是GTO 的替代产品。6）电子注入增强栅晶体管近年来, 日本东芝公司开发了电子注入增强型晶体管(IEGT)，它是耐压4 KV以上的高耐压IGBT系列电力电子器件。IEGT 通过采取增强注入结构，兼有IGBT和GTO 两者的优点，具有低饱和压降、宽的安全工作区(吸收回路容量只有GTO1/10左右)、低栅极驱动功率(比GTO低两个数量级)和较高的工作频率。 IEGT的这些优点，使大容量电力电子器件取得

15、飞跃性发展，现已经历了实际应用的初级阶段，进入了通过特性改良以实现更高性能为目标的发展阶段。 IEGT本质上具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，预示着它是未来的主要发展方向。除低损耗、高速动作等基本芯片性能不断提高外，6 KV级高耐压化、有源栅驱动的智能化、沟槽结构的采用等，以及多芯片并联而自均流的特征也使其易于并联使用以进一步扩大电流容量成为可能。目前，IEGT的器件水平已经达到4 .5 KV/ 1500 A 。1.2新型电力电子新器件从晶闸管问世到IGBT的普遍应用，电力电子器件经过近40年的发展，基本上都是表现为对器件原理和结构的改进和创新，在材料的使用上则始终没有突破硅的范围

16、。无论是功率MOSFET还是IGBT，它们与晶闸管和整流二极管一样都是硅制造的器件。但是，随着硅材料和硅工艺的日趋完善，各种硅器件的性能逐步趋近其理论极限，而电力电子技术的发展却不断对电力电子器件的性能提出了更高的要求，尤其是希望器件的功率和频率能得到更高程度的兼顾。因此，越来越多的电力电子器件研究工作转向了对应用新型半导体材料制造新型电力电子器件的研究。结果表明，就电力电子器件而言，硅材料并不是最理想的材料，比较理想的材料应当是临界雪崩击穿电场强度、载流子饱和漂移速度和热导率都比较高的宽禁带半导体材料，这种材料比较典型的有砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)等。目前，随着这些材料的制造技术和

17、加工工艺日渐成熟，使用宽禁带半导体材料制造性能更加优越的电力电子新器件已成为可能。特别是碳化硅肖特基二极管在本世纪初投放市场并获得良好的实际应用效果后，进一步增强了人们大力发展用宽禁带半导体材料制造电力电子器件的信心。 在各种宽禁带半导体材料中，碳化硅是一种性能优越的材料，它的性能指标较砷化镓还要高一个数量级，与其他材料比较，它具有，高的禁带宽度、高的饱和电子漂移速度、高的击穿强度、低的介电常数和高的热导率等特征。使用碳化硅制造的电力电子器件，有可能将半导体器件的极限工作温度提高到600以上，至少可以在硅器件难以承受的高温下长时间稳定工作。不仅如此，在 额定阻断电压相同的前提下，碳化硅器件不但

18、通态电阻很低，工作频率也比硅器件高 10倍以上。所以，碳化硅器件在高温、高频、高功率容量的应用场合是极为理想的电力电子器件。1）碳化硅肖特基势垒二极管本世纪初，碳化硅肖特基势垒二极管(SBD)首先揭开了碳化硅器件在电力电子领域替代硅器件的序幕。由于肖特基二极管的制造工艺相对比较简单，所以对碳化硅肖特基二极管的研究也已较为成熟。 碳化硅SBD器件具有预期的反向漏电流极小，几乎没有反向恢复时间等优点，同时，高温性能异常优越，于是一些大公司在其IGBT变频或逆变装置中采用这种二极管替代硅块恢复二极管，取得了提高工作频率、大幅度降低开关损耗的明显效果，总体效益大大超过由于替换器件所增加的成本。2）碳化

19、硅场效应器件 碳化硅场效应器件的开发优势在于能够兼顾阻断电压和通态电阻，而且结构与硅场效应器件没有太大区别，因而可以充分利用硅MOS的成熟技术。虽然目前碳化硅场效应器件还未能实现商业化，但其研发工 作进展很快，在2004年其耐压已经达到了硅器件无法达到的10000 V水平。通态比电阻也向理论极限大大靠近了一步，可达123 m·cm3。3）碳化硅 IGBT 虽然碳化硅场效应器件的阻断电压可以做到硅器件所无法达到的10000V，但更高阻断电压也面临通态电阻问题，所以，人们对碳化硅IGBT寄予厚望。 对碳化硅IGBT的研发工作起步较晚，1999年才首见报道，这是一个阻断电压只有790 V的

20、P沟道4H-SiC IGBT，且其通态压降很高，在电流密度为75 A /cm2 时就高达 15 V，这说明碳化硅IGBT在阻断电压不高的情况下，相对于碳化硅场效应器件没有什么优势，其优越性只在10000V以上的高压领域。近年来，碳化硅高压IGBT的研发工作已有较大进展，目前遇到的主要困难在于：P沟道IG-BT的源极接触电阻偏高，而 n沟道IGBT又需要用p型碳化硅材料做衬底。因此，碳化硅IGBT研发工作的实质性进展，还有待于材料和工艺技术的进一步发展。4）碳化硅双极型器件 用碳化硅可以制造阻断电压很高的双极型器件，比如高压二极管和晶闸管等。 2000年5月，美国Cree公司与日本关西电力公司(

21、KEPCO)联合研制成功世界上第一只耐压超过万伏的碳化硅pn结二极管，其反向阻断电压为12300 V，正向压降在电流密度为100 A/ cm2时只4.9V。到2001年，碳化硅二极管的阻断电压可达到20000V 水平，相应的反向漏电流密度为2.7mA /cm2 ，正向压降在电流密度为100 A /cm2 时只有6.5V。碳化硅pn结二极管的阻断电压在2001年后，没有新进展，研究人员把研究重点转移到提高器件承受大电流能力方面，2002年 Sugawara 等人研制成功了100 A /5200 V大功率碳化硅pn结二极管，在300和100A正向电流下的压降为 4.2V。 而利用碳化硅材料研制的晶

22、闸管、GTO、GCT等器件近年来均有相关报道，但这些器件离实际工业应用还有一段距离。2电力电子应用电力电子器件及其应用装置已日益广泛地应用和渗透到能源、交通运输、环境等诸多重要领域，它们涉及到许多电力电子共性基础技术和形形色色电力电子装置和应用系统。2.1 风力发电风能是世界各国能源中增长最快的一种。目前风力发电和电网兼容的问题受到了世界极大的关注，一方面，风力发电不能适应较大的电网电压和频率暂态变化，同样风力发电的不稳定性对电网也会造成冲击。另外，在世界范围内大规模开发应用风能的今天，如何合理评估风力发电对生态的影响并加以开发利用，也显得日益重要。风是由于地球表面气流的运动形成的，如果人们大

23、规模地、不合理地乱设风场、滥用风能，有可能使地球表面的气流发生人们预想不到的改变，可能使人们赖以生存的气候和生态环境产生灾难性的后果。因此，大规模风场的设立和风能利用应当有环境、气象科研部门的积极参与和经过认真的科学论证，如果能将风电开发利用和改造人居环境密切结合将是最理想的做法。2.2 太阳能光伏发电太阳能光伏发电最有应用前途的是光伏建筑一体化应用。它是结合光伏电池发电和建筑物外非晶体电池较低成本，不存在原材料供应瓶颈、适合低日照水平、适合高温条件、利于建筑一体化转换效率较低、稳定性较差、存在光致衰减效应晶体电池转换效率高、寿命较长、稳定性好、公害小高成本、原材料难以获得、不适合低日照水平、不适合光伏建筑一体化铜铟镓硒电池成本最低、转换效率很高、利于建筑一体化寿命相对较短、其中必备元素铟属于微量元素、难以获得、对环境有一定污染碲化镉电池成本低、转换效率一般、利于建筑一体化有毒、污染环境、回收困难墙的功能，将光伏电池组件装置在建筑物上，使其起到既可以发电又可以代替建筑材料的双重用途。在土地价格昂贵的地区，光伏建筑一体化是解决土地成本过高和整合发电运送的最佳方案，建筑业已开始使用薄膜光伏电池，因为它既能发电又可降低二氧化碳的排放量，这是未来一个新的发展趋势。2.3 电动汽车汽车是人们生活的重要交通工具，随着人们生活水平的提高，越来越多的人开始购买汽车。但是，汽车的大量使用