電力電子器件的發(fā)展與應(yīng)用b

1、電力電子器件的發(fā)展與應(yīng)用0 引言電子技術(shù)被認(rèn)為是現(xiàn)代科技發(fā)展的主力軍，電力電子就是電力電子學(xué)，又稱(chēng)功率電子學(xué)，是利用電子技術(shù)對(duì)電力機(jī)械或電力裝置進(jìn)行系統(tǒng)控制的一門(mén)技術(shù)性學(xué)科，主要研究電力的處理和變換，服務(wù)于電能的產(chǎn)生、輸送、變換和控制。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”。電力電子器件又稱(chēng)為功率半導(dǎo)體器件，主要用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路方面大功率的電子器件（通常指電流為數(shù)十至數(shù)千安，電壓為數(shù)百伏以上）。我們的生活與電力電子技術(shù)息息相關(guān)，事實(shí)表明，無(wú)論是電力、機(jī)械、礦冶、交通、石

2、油、能源、化工、輕紡等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是通信、激光、機(jī)器人、環(huán)保、原子能、航天等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，都迫切需要高質(zhì)量、高效率的電能。而電力電子正是將各種一次能源高效率地變?yōu)槿藗兯璧碾娔?。它是?shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和提高人民生活質(zhì)量的重要手段，它已經(jīng)成為弱電控制與強(qiáng)電運(yùn)行之間、信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)之間、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化改造和興建高科技產(chǎn)業(yè)之間不可缺少的重要橋梁。所以，電力電子是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)技術(shù)，是現(xiàn)代科學(xué)、工業(yè)和國(guó)防的重要支撐技術(shù)。時(shí)至今日，無(wú)論高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域還是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，特別是我國(guó)一些重大工程（三峽、特高壓、高鐵、西氣東輸?shù)龋?，乃至照明、家電等量大面廣的與人民日常生活密切相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域，電力

3、電子產(chǎn)品已經(jīng)無(wú)所不在。1 電力電子器件的現(xiàn)狀和發(fā)展1.1 概述 一個(gè)理想的功率半導(dǎo)體器件，應(yīng)當(dāng)具有下列理想的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性：在阻斷狀態(tài)，能承受高電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)，能導(dǎo)通高的電流密度并具有低的導(dǎo)通壓降；在開(kāi)關(guān)狀態(tài)和轉(zhuǎn)換時(shí)，具有短的開(kāi)、關(guān)時(shí)間，能承受高的di/dt和du/dt，具有低的開(kāi)關(guān)損耗；運(yùn)行時(shí)具有全控功能和良好的溫度特性。自20世紀(jì)50年代硅晶閘管問(wèn)世以后，功率半導(dǎo)體器件的研究工作者為達(dá)到上述理想目標(biāo)做出了不懈努力，并已取得了世人矚目的成就。早期的大功率變流器，如牽引變流器，幾乎都是基于晶閘管的。到了20世紀(jì)80年代中期，4.5kV的可關(guān)斷晶閘管（gate turn-off thyrist

4、or， GTO）得到廣泛應(yīng)用，并成為在接下來(lái)的10年內(nèi)大功率變流器的首選器件，一直到絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor， IGBT）的阻斷電壓達(dá)到 3.3 kV 之后，這個(gè)局面才得到改變。與此同時(shí)，對(duì)GTO 技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)導(dǎo)致了集 成門(mén)極換流晶閘管，（intergrated gate commutated thyristor， IGCT）的問(wèn)世，它顯示出比傳統(tǒng) GTO 更加顯著的優(yōu)點(diǎn)。目前的 GTO 開(kāi)關(guān)頻率大概為 500Hz，由于開(kāi)關(guān)性能的提高，IGCT 和大功率 IGBT 的開(kāi)通和關(guān)斷損耗都相對(duì)較低，因此可以工作在13 kHz的開(kāi)關(guān)頻率

5、下。至 2005年，以晶閘管為代表的半控型器件已達(dá)到70 MW/9 000 V 的水平，全控器件也發(fā)展到了非常高的水平。當(dāng)前，硅基電力電子器件的水平基本上穩(wěn)定在1091010WHz左右，已逼近了由于寄生二極管制約而能達(dá)到的硅材料極限。不難理解，更高電壓、更好開(kāi)關(guān)性能的電力電子器件的出現(xiàn)，使在大功率應(yīng)用場(chǎng)合不必要采用很復(fù)雜的電路拓?fù)?，這樣就有效地降低了裝置的故障率和成本。1.2 發(fā)展1.2.1 整流管整流管是電力電子器件中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、應(yīng)用最廣泛的一種器件。目前主要有普通整流管、快恢復(fù)整流管和肖特基整流管三種類(lèi)型。電力整流管在改善各種電力電子電路的性能、降低電路損耗和提高電源使用效率等方面發(fā)揮著非

6、常重要的作用。目前，人們已通過(guò)新穎結(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。1.2.2 晶閘管自1957年美國(guó)通用電氣公司GE研制出第一個(gè)晶閘管開(kāi)始，其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和工藝的改革，為新器件開(kāi)發(fā)研制奠定了基礎(chǔ)，其后派生出各種系列產(chǎn)品。1964年，GE公司成功開(kāi)發(fā)雙向晶閘管，將其應(yīng)用于調(diào)光和馬達(dá)控制；1965年，小功率光觸發(fā)晶閘管問(wèn)世，為其后出現(xiàn)的光耦合器打下了基礎(chǔ)；60年代后期，出現(xiàn)了大功率逆

7、變晶閘管，成為當(dāng)時(shí)逆變電路的基本元件；逆導(dǎo)晶閘管和非對(duì)稱(chēng)晶閘管于1974年研制完成。晶閘管只能由門(mén)極控制導(dǎo)通，導(dǎo)通后門(mén)極便失去控制作用，因此稱(chēng)之為半控型器件，普通晶閘管（Thysister）是目前阻斷電壓最高、流過(guò)電流最大、承受dv/dt、di/dt能力最強(qiáng)的電力電子器件，現(xiàn)在已能生產(chǎn)8kV/4kA和6kV/6kA的晶閘管。但由于PN結(jié)的載流子積蓄效應(yīng)，開(kāi)關(guān)頻率只能在500Hz以下。1.2.3 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 GTO可達(dá)到晶閘管相同水平的電壓、電流等級(jí)，工作頻率也可擴(kuò)展到1kHz。1964年，美國(guó)第一次試制成功了0.5kV/10A的GTO。自70年代中期開(kāi)始，GTO的研制取得突破，相繼出世了

8、1300V/600A、25OOV/I000A、4500V/2400A的產(chǎn)品，目前已達(dá)到9kV/25kA/0.8kHz及6 kV/6kA/1kHz的水平。GTO包括對(duì)稱(chēng)、非對(duì)稱(chēng)和逆導(dǎo)三種類(lèi)型。非對(duì)稱(chēng)GTO相對(duì)于對(duì)稱(chēng)GTO，具有通態(tài)壓降小、抗浪涌電流能力強(qiáng)、易于提高耐壓能力（3000v以上）的特點(diǎn)。逆導(dǎo)型GTO，由于是在同一芯片上將GTO與整流二極管反并聯(lián)制成的集成器件，因此不能承受反向電壓，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， 通態(tài)壓降大、dv/dt及di/dt耐量低，需要龐大的吸收電路。但其在大功率電力牽引驅(qū)動(dòng)中有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此它在中高壓領(lǐng)域中

9、必將占有一席之地。1.2.4 大功率晶體管 GTR是一種電流控制的雙極雙結(jié)電力電子器件，20世紀(jì)70年代中期，雙極性晶體管（BJT）擴(kuò)展到高功率領(lǐng)域，產(chǎn)生大功率晶體管（GTR），它由基極（B)電流bi的正、負(fù)控制集電極（C）和發(fā)射極（E）的通、斷，也屬全控型器件。由于能承受上千伏電壓，具有大的電流密度和低的通態(tài)壓降，曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)，在20世紀(jì)七八十年代成為逆交器、變頻器等電力電子裝置的主導(dǎo)功率開(kāi)關(guān)器件，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)5kHz。但是GTR存在許多不足:對(duì)驅(qū)動(dòng)電流波形有一定要求，驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜；存在局部熱點(diǎn)引起的二次擊穿現(xiàn)象，安全工作區(qū)（SOA）??；通態(tài)損耗和關(guān)斷時(shí)存儲(chǔ)時(shí)間（st)存在矛盾，要前者小必

10、須工作于深飽和，而如深飽和，st便長(zhǎng)，既影響開(kāi)關(guān)頻率，又增加關(guān)斷損耗大;承受dv/dt及di/dt能力低;單管電流放大倍數(shù)小，為增加放大倍數(shù)，聯(lián)成達(dá)林頓電路又使管壓降增加等等，而為改善性能（抑制dv/dt及di/dt，改變感性負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)負(fù)載線(xiàn)使在SOA內(nèi)，減小動(dòng)態(tài)損耗），運(yùn)用時(shí)必須加緩沖電 路。目前的器件水平約為：1800V/800A，2kHz；1400V/600A，2kHz；600V/3A，100kHz。1.2.5 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)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率??；僅由多數(shù)載流子導(dǎo)電，無(wú)少子存儲(chǔ)效

11、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)有二次擊穿問(wèn)題，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。順便強(qiáng)調(diào)一下，由于MOSFET管內(nèi)阻與電壓成比例，它在要求低壓（3.31V）電源的電腦和通信等領(lǐng)域則可大顯身手，目前MOSFET的導(dǎo)通電阻可減小至610m，主要用于高頻開(kāi)關(guān)電源的同步電流。1.2.6 絕緣柵雙極晶體管20世紀(jì)80年代絕緣柵雙極晶體管是一種復(fù)合型器件，綜合了少子器件（G T O、G T R）和多子器件（MOSFET)各自的優(yōu)良特性，既

12、有輸入阻抗高，開(kāi)關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，又有輸出電流密度大，通態(tài)壓降下，電壓耐量高的長(zhǎng)處。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、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)于一身，因此備受人們青睞。它的研制成功為提高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；IGB

13、T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。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已逐步替代GTR成為核心元件。 IGBT早已做到1800V/800A，10kHz;1200V/600A，20kHz的商品化，600V/100A的硬開(kāi)關(guān)工作頻率可達(dá)150kHz。高壓IGBT已有3300V/1200A和4500V/900A的器件。由于IGBT的綜合優(yōu)良性能，事實(shí)上已取代了GTR，現(xiàn)在成為中、小功率逆變器、變頻器等成為了電力電子裝置的主流器件。目前，已經(jīng)研

14、制出的高功率溝槽柵結(jié)構(gòu)IGBT（Trench IGBT）模塊是高耐壓大電流IGBT通常采用的結(jié)構(gòu)，它避免了大電流IGBT模塊內(nèi)部大量的電極引線(xiàn)，提高了可靠性和減少了引線(xiàn)電感.其缺點(diǎn)是芯片面積利用率下降.所以這種平板結(jié)構(gòu)的高壓大電流IGBT模塊將在高壓、大功率變流器中獲得廣泛應(yīng)用。 電力電子器件的應(yīng)用2.1 電力系統(tǒng)為了控制和改善供電質(zhì)量，發(fā)電廠(chǎng)發(fā)出的交流電必須經(jīng)過(guò)電力電子裝置的處理后送到用戶(hù)端，沒(méi)有電力電子器件的應(yīng)用，就沒(méi)有電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化。從技術(shù)層面來(lái)講，電力市場(chǎng)的引入將產(chǎn)生對(duì)電力品質(zhì)的改善裝置，如不間斷電源（UPS）、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）、靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG)、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（D

15、VR)、電力有源濾波器（APF）、限流器、電力儲(chǔ)能裝置、微型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)（Micro Cas Turbo）等新需求；再生能源、環(huán)保發(fā)電技術(shù)等分散發(fā)電將需要交直流變流裝置。2. 2 新能源利用與環(huán)境保護(hù)電力電子器件裝置還用于太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電裝置與電力系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，以及太陽(yáng)能發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電電能的改善。2.3 混合動(dòng)力汽車(chē)由于電力電子器件應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能可以和直流電動(dòng)機(jī)相媲美。在工業(yè)電動(dòng)機(jī)的控制中，交流調(diào)速、直流調(diào)速以及節(jié)能和軟起動(dòng)都是通過(guò)電力電子器件實(shí)現(xiàn)的。2.4 交通運(yùn)輸鐵道電氣化、電力機(jī)車(chē)控制、磁懸浮列車(chē)的使用都離不開(kāi)電力電子器件，高級(jí)汽車(chē)中許多電機(jī)的控制是靠變頻或斬波

16、實(shí)現(xiàn)的。電動(dòng)汽車(chē)的電動(dòng)機(jī)控制和蓄電池充電也是靠電力電子裝置實(shí)現(xiàn)，飛機(jī)、船舶、電梯等都離不開(kāi)電力電子裝置。2.4 電源不間斷電源、電解電源、電鍍電源、開(kāi)關(guān)電源、微機(jī)及儀器儀表電源、航空電源、通信電源、交流電子穩(wěn)壓電源、脈沖功率電源、動(dòng)力牽引及傳動(dòng)控制用電源都是靠變流技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。2.5 家用電器用于家庭照明的LED節(jié)能燈，體積小、發(fā)光效率高、節(jié)省能量多，這是通過(guò)電力電子器件把交流電轉(zhuǎn)換成電力電子照明電源來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此外，變頻空調(diào)、電視機(jī)、音響、洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐、計(jì)算機(jī)等都離不開(kāi)電力電子器件的應(yīng)用。3 小結(jié)與看法1）電力電子是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)技術(shù)，是現(xiàn)代科學(xué)、工業(yè)和國(guó)防的重要支撐技術(shù)。時(shí)至

17、今日，無(wú)論高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，還是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，特別是我國(guó)一些重大工程（三峽、特高壓、高鐵、西氣東輸?shù)龋酥琳彰?、家電等量大面廣的與人民日常生活密切相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子產(chǎn)品已經(jīng)無(wú)所不在。 2）傳統(tǒng)的硅基電力電子器件已經(jīng)逼近了由于寄生二極管制約而能達(dá)到的硅材料極限，為突破目前的器件極限，有兩大技術(shù)發(fā)展方向：一是采用各種新的器件結(jié)構(gòu)；二是采用寬能帶間隙材料的半導(dǎo)體器件，如SiC或GaN器件。 3）以硅晶閘管為代表的半控型器件已達(dá)到70 MW/9 000 V的水平，雖然它受到了全控器件應(yīng)用的沖擊，但由于它技術(shù)的成熟性和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，今后仍舊有較好的市場(chǎng)前景，特別在高電壓、大電流應(yīng)用場(chǎng)合還會(huì)得到繼續(xù)發(fā)展。

18、4）硅基全控型電力電子器件本身的技術(shù)、制造工藝雖然發(fā)展空間已經(jīng)不太大了，可是它們的待開(kāi)發(fā)的應(yīng)用空間仍舊十分廣闊，應(yīng)用市場(chǎng)前景無(wú) 限好。 5）SiC和GaN寬禁帶電力電子器件代表著電力電子器件領(lǐng)域發(fā)展方向，材料和工藝都存在許多問(wèn)題有待解決，即使這些問(wèn)題都得到解決，其價(jià)格還是比硅基的貴。由于它們的優(yōu)異特性，可能主要用于中高端應(yīng)用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，將來(lái)有可能形成如下一種格局：SiC電力電子器件將主要用于1 200 V以上的高壓工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域；預(yù)計(jì)到2019年，硅基GaN的價(jià)格可能下降到可與硅材料相比擬的水平，GaN電力電子器件將主要用于900 V以下的消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)/服務(wù)器電源應(yīng)用領(lǐng)域。 6）對(duì)于當(dāng)前電力電子應(yīng)用裝置/系統(tǒng)的諸多熱點(diǎn)問(wèn)題(綠色能源應(yīng)用、電動(dòng)汽車(chē)、LED照明)，我們應(yīng)當(dāng)理性思考，抓住發(fā)展機(jī)遇，挑戰(zhàn)電力電子技術(shù)應(yīng)用的明天。參考文獻(xiàn)1 張立等現(xiàn)代電力電子器件M 北京: 科學(xué)出版社2 王錫吉. 可靠性工程技術(shù)M 北京: 電子工業(yè)出版社. 19953 解廣潤(rùn). 電力系統(tǒng)過(guò)電壓M . 北京: 水利水電出版社. 19854 苗宏. 大功率器件的發(fā)展和IGCT 的優(yōu)點(diǎn)J . 電力電子商情,2000 (2) :11214. 5 正田英介. 電力電子學(xué)M . 北京:科