功率器件技術(shù)與電源技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展

1、功率器件技術(shù)與電源技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展功率器件技術(shù)與電源技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展一、半導(dǎo)體功率器件制造技術(shù)和電源技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新電源技術(shù)與功率半導(dǎo)體器件制造技術(shù)互依互存，共同發(fā)展。從五十年代初品 閘管整流器問世，就揭開了功率半導(dǎo)體器件制造技術(shù)和電源技術(shù)長(zhǎng)足發(fā)展的序 幕，并奠定了現(xiàn)代電力電子學(xué)的基礎(chǔ)。電力電子技術(shù)包含了電力電子器件制造技 術(shù)和電力電子線路與裝置兩大部分，其中電力電子器件及其應(yīng)用技術(shù)是基礎(chǔ)。電源和功率半導(dǎo)體器件是重要的基礎(chǔ)科學(xué)和產(chǎn)業(yè)，從人們的日常生活到工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)直至科學(xué)研究，都離不開電源。而功率半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的發(fā) 展又支持了電源技術(shù)的發(fā)展，反之，電源技術(shù)的發(fā)展又對(duì)功率半導(dǎo)體器件

2、提出了 更高的要求。因此，電源技術(shù)和半導(dǎo)體功率器件制造技術(shù)正是在這種相依相存的 環(huán)境中逐步發(fā)展起來的。半個(gè)世紀(jì)以來，電源技術(shù)與半導(dǎo)體功率器件制造技術(shù)的發(fā)展不斷創(chuàng)新。經(jīng)歷了從 真空閘流管、真空三極管到半導(dǎo)二極管、三極管、晶閘管、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFEET、絕緣柵雙極性晶體管（I GBT）、柵控晶閘管（MCT）、等不 同時(shí)代的新器件?？傊雽?dǎo)體功率器件正朝著高頻、大電流、高電壓、柵控可 關(guān)斷方向發(fā)展。功率器件的發(fā)展促進(jìn)了電源技術(shù)的升級(jí)換代，同樣電源技術(shù)也正在朝著高頻、大容量、模塊化、高穩(wěn)定度、高效率，并能有效地抑制電網(wǎng)諧波和 環(huán)境噪聲污染方向發(fā)展。未來，可以相信在新理論、新技術(shù)的引導(dǎo)下；在

3、新材料、新器件的支持下，電源 和半導(dǎo)體功率器件將會(huì)進(jìn)入更廣闊的發(fā)展空間。二、半導(dǎo)體功率器件的應(yīng)用和電源技術(shù)的發(fā)展隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)電源和功率器件的要求越來越高， 規(guī)格 品種越來越多，技術(shù)難度越來越大，涉及的學(xué)術(shù)領(lǐng)域也越來越廣，工業(yè)電源應(yīng)用 的對(duì)象具有多樣性、新穎性和復(fù)雜性，要求電源具備先進(jìn)的控制技術(shù)和多種輸出 外特性。1 .中頻感應(yīng)加熱電源品閘管中頻電源基本替代了傳統(tǒng)的中頻電動(dòng)一發(fā)電機(jī)組，廣泛應(yīng)用于熱 加工領(lǐng)域。中頻電源至今仍主要采用快速或高頻晶閘管，頻率為3008000 Hz,單機(jī)功率為25 4000KW中頻電源主回路大致有三種形式，見下圖。中頻電源主回路主要由整流橋和逆變橋組

4、成， 整流橋大都采用6只普通晶閘管組 成三相全控橋式整流電路，該電路的電壓調(diào)節(jié)范圍大；輸出電壓脈動(dòng)頻率較高， 可以減輕直流濾波環(huán)節(jié)的負(fù)擔(dān)，使輸出電流更平穩(wěn)。另外，它還可以工作在有源 逆變狀態(tài)，當(dāng)逆變橋顛覆時(shí)，將貯存在濾波電抗器中的能量通過有源逆變方式返 回網(wǎng)側(cè)，使逆變電路得到保護(hù)。逆變橋的主要功能是把直流電轉(zhuǎn)變成單相中頻交 流電。逆變橋快速晶閘管關(guān)斷時(shí)間的選擇， 應(yīng)根據(jù)逆變電路的頻率而定。不要盲目地追 求短時(shí)間；不要認(rèn)為關(guān)斷時(shí)間越短越好，因?yàn)殛P(guān)斷時(shí)間與正向壓降是一對(duì)矛盾。在電壓型逆變電路中，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆 變橋各橋臂都并聯(lián)了反饋二極管，或叫續(xù)流二極管。續(xù)流二極管

5、應(yīng)根據(jù)設(shè)備的工 作頻率選擇軟恢復(fù)二極管或軟快恢復(fù)二極管，不要選擇硬恢復(fù)二極管。因硬恢復(fù) 二極管的di/dt比軟恢復(fù)二極管高，過沖峰值電壓高，因此，硬恢復(fù)二極管在關(guān) 斷過程中的電壓過沖問題比較嚴(yán)重，易損壞與之并聯(lián)的品閘管。隨著新型半導(dǎo)體功率器件的不斷出現(xiàn)，電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)有新的變革， 中頻感應(yīng)加熱領(lǐng)域也不例外。S I T靜電感應(yīng)晶體管，其關(guān)斷時(shí)間典型值為 0 . 3 us；應(yīng)用于小功率、高頻率的整機(jī)，整機(jī)工作頻率可達(dá)3 0 OKHZ。I GBT絕緣柵雙極晶體管，其典型關(guān)斷時(shí)間只有0 . 5 5 us；整機(jī)功率可達(dá) 3 0 0 OKW。但I(xiàn) GBT的正向壓降較高，所以在低頻、大功率電源應(yīng)用

6、中并 不占優(yōu)勢(shì)。MCTMOS控制品閘管， 其關(guān)斷時(shí)間為2 .lus,正向壓降低， 申、并聯(lián)容易。無疑，在未來這種器件會(huì)在中、高頻電源的逆變技術(shù)中發(fā)揮其應(yīng) 有的作用。2 .電化學(xué)和電熱用電源電化學(xué)在工業(yè)上的應(yīng)用：水溶液電解制取金屬，如金，銀、銅、鋅、錫、鉛等。 水溶液電解制取非金屬（電解食鹽水），如氯、氫、等。 熔融鹽電解制取金屬，如鋁、鈦、鎂、鈉、鉀等。電熱化學(xué)制取非金屬，如黃磷，石墨電極、碳化鈣等。 電熱化學(xué)制取金屬，如鐵，鋼，鐵合金等。表面電解加工與處理，如電鍍等。 界面電化學(xué)，如電泳，電滲析等。電化學(xué)和電熱用電源一般電流較大，主回路采用雙反星形帶平衡電抗器同相逆并 聯(lián)結(jié)構(gòu)或橋式同相逆并聯(lián)

7、結(jié)構(gòu)。每個(gè)支臂由多只大功率晶閘管或二極管并聯(lián) （元 件的正向壓降要接近；但要特別注意機(jī)械結(jié)構(gòu)與支路電感影響元件均流）。3 .焊接電源焊接電源的主電路形式是隨著電力電子及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。 大 致經(jīng)歷了弧焊發(fā)電機(jī)、磁放大器式硅整流焊接電源、 晶閘管整流焊接電源、品閘 管逆變焊接電源、晶體管逆變焊接電源和IGBT逆變焊接電源等階段。3.1 弧焊發(fā)電機(jī)及磁放大器式硅整流電源弧焊發(fā)電機(jī)及磁放大器式硅整流電源， 其主電路使用的是弧焊發(fā)電機(jī)、抽頭式和 磁放大式硅整流電源。3.2 晶閘管焊接電源品閘管整流焊接電源，其主電路采用了帶平衡電抗器的六相雙反 星形可控整流電路和三相全控橋整流電路。第5頁(yè)共

8、5頁(yè)開關(guān)、移相式晶閘管焊接電源，反并聯(lián)晶閘管組或雙向品閘管工 作于開關(guān)或移相狀態(tài)，以控制電焊機(jī)電流的大小和開通時(shí)間。電容儲(chǔ)能式晶閘管焊機(jī)，該焊機(jī)的主回路分為充電回路和橋式放 電回路，由全控橋或半控橋組成充電回路，四只品閘管組成橋式放電回路，以防 變壓器磁化。品閘管焊接電源與弧焊發(fā)電機(jī)相比， 具有效率高、噪聲小、動(dòng)態(tài)性能好的特 點(diǎn)；與抽頭式變壓器硅整流電源相比， 焊接參數(shù)實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)節(jié)，可滿足精度較高的焊接需要；與磁放大器硅整流電源相比，可節(jié)約大量的銅和硅鋼材料，主回 路時(shí)間常數(shù)小，動(dòng)態(tài)性能好，而且有利于各種控制方案的實(shí)現(xiàn)。因此，品閘管焊 接電源在焊接電源中占有很大比例。品閘管雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但

9、也有其致命的缺點(diǎn)，即品閘管為半控元件，控制電路 只能控制其開通，而不能控制其關(guān)斷。對(duì)三相全波整流電路或雙反星形可控整流 電路而言，控制周期為3.3MS,該時(shí)間與焊接熔滴過渡的周期在同一數(shù)量級(jí)上， 也就是說晶閘管整流焊接電源不可能很好地控制焊接的熔滴過渡。逆變焊接電源克服了整流焊接電源的這個(gè)缺點(diǎn)。晶閘管逆變弧焊電源，晶閘管逆變弧焊電源是最早的一種逆變式 弧焊電源。其主電路是采用 AC-DG-AG-DC系統(tǒng)，工作頻率可達(dá)3000Hz所以 變壓器的尺寸和重量都很小，使其整機(jī)的重量只有同容量晶閘管整流焊機(jī)重量的 三分之一，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，焊接性能好，高效節(jié)能。但這種焊接電源受品閘管關(guān) 斷時(shí)間的限制，逆變

10、頻率不高，同IGBT逆變焊接電源相比，它的逆變器體積大 一些，特別是工作在音頻段，噪聲也大一些。IGBT逆變焊接電源，IGBT是發(fā)展最快而且很有前途的一種混合型 可關(guān)斷器件。開關(guān)頻率已達(dá)到1030KHZ用在中大容量的逆變焊接電源中，現(xiàn) 在已逐漸成為主流。4 .電機(jī)用可控硅電源可控硅直流電源可用于發(fā)電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、直流電機(jī)的勵(lì)磁。 近期已有用IGBT制作電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)優(yōu)于可控硅系統(tǒng)。可控硅反并聯(lián)組件用于電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置、電機(jī)頻繁倒向開關(guān)裝 置（主要用于軋鋼生產(chǎn)線）。IGBT變頻器用于電機(jī)的軟起動(dòng)和軟停機(jī)，在性能 上優(yōu)于晶閘管電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器，但I(xiàn)GBT變頻器的價(jià)格比晶閘管電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器 的

11、價(jià)格高得多。因此，在不需要大幅度調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)域， 品閘管電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器 的性價(jià)比比IGBT變頻器高。品閘管甚低頻交一交變頻用于線繞電機(jī)的進(jìn)相，提高電機(jī)的功率 因數(shù)。品閘管直流不可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)主要用于造紙、印刷等輕工業(yè)。品閘管直流可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)主要用于軋機(jī)、龍門刨等。品閘管交流審級(jí)調(diào)速；品閘管直流牽引。晶閘管斬波器用于線繞電機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速。5 .電力操作電源電力操作電源是為發(fā)電廠、水電站及變電站提供直流的電源設(shè)備（即直流 屏），包括供給斷路器分合閘及二次回路的儀器儀表、繼電保護(hù)、控制、應(yīng)急燈 光照明等各類低壓電器設(shè)備用電。6 .動(dòng)態(tài)靜止無功補(bǔ)償裝置動(dòng)態(tài)靜止無功補(bǔ)償裝置在電壓等級(jí)（特別是高壓無功補(bǔ)償裝

12、置采用多只可 控硅串聯(lián)）、裝置容量上不斷提高，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化計(jì)算機(jī)控制，在電力補(bǔ)償上 得到了成功應(yīng)用（如：晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器），并取得了較大 的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效應(yīng)。近年來出現(xiàn)的靜止無功發(fā)生器、有源電力濾波器等新型 電力電子裝置具有更為優(yōu)越的無功功率和諧波補(bǔ)償?shù)男阅堋? . 大功率、高電壓直流電源大功率、高電壓直流電源廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)的靜電除塵、污水處理。電源技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域已取得了十分輝煌的成就。功率器件制造技術(shù) 是電源技術(shù)的基礎(chǔ)，電源是功率器件制造技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的綜合產(chǎn)物。功率器件制造技術(shù)的每次重大進(jìn)步都對(duì)電源技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶

13、體管（IGBD為代表的復(fù)合型器件異軍突起，IGBT是 MOSFETHE BJT的復(fù)合。它把 MOSFET驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)和 BJT 通態(tài)壓降低、載流量大的優(yōu)點(diǎn)集于一身，性能十分優(yōu)越，使之成為現(xiàn)代電力電子 技術(shù)的主導(dǎo)器件。與IGBT相對(duì)應(yīng)，MOS空制品閘管（MCT和集成門極換流晶閘 管（IGCT（都是MOSFE和GTO勺復(fù)合，它們同樣也綜合了 MOSFE和GTCM種器 件的優(yōu)點(diǎn)，是一種很理想的混合功率器件。它們具有高電壓、大電流、低通態(tài)壓 降、高電流密度、高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率和高開關(guān)速度等優(yōu)點(diǎn)。它們的誕生是 大功率開關(guān)器件的一項(xiàng)重要突破，就象幾十年前品閘管的出現(xiàn)迅速取代汞弧整流 器和閘流管