【導讀】本文簡述了電力電子其器件的發(fā)展過程，并介紹了當今廣泛使用的電力電子器件種類、工作原理、特點及應(yīng)用。同時，對新材料驅(qū)動下的電力電子未來進行了展望。
從1958年美國通用電氣（GE）公司研制出世界上第一個產(chǎn)業(yè)用普通晶閘管開始，電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機組和靜止的離子變流器進進由電力電子器件構(gòu)成的變流器時代，這標志著電力電子技術(shù)的誕生。到了70年代，晶閘管開始形成由低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品。同時，非對稱晶閘管、逆導晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等晶閘管派生器件相繼問世，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，其研制及應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。
電力電子器件種類
由于普通晶閘管不能自關(guān)斷，屬于半控型器件，因而被稱作第一代電力電子器件。在實際需要的推動下，隨著理論研究和工藝水平的不斷進步，電力電子器件在容量和類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，被稱為第二代電力電子器件。近年來，電力電子器件正朝著復合化、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。
1，電力整流管
整流管產(chǎn)生于本世紀40年代，是電力電子器件中結(jié)構(gòu)最簡單、使用最廣泛的一種器件。目前已形成普通整流管、快恢復整流管和肖特基整流管等三種主要類型。其中普通整流管的特點是：漏電流小、通態(tài)壓降較高（1 0～1 8V）、反向恢復時間較長（幾十微秒）、可獲得很高的電壓和電流定額。多用于牽引、充電、電鍍等對轉(zhuǎn)換速度要求不高的裝置中。較快的反向恢復時間（幾百納秒至幾微秒）是快恢復整流管的明顯特點，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時間（幾乎為零）和低的通態(tài)壓降（0.3～0.6V）的優(yōu)點，不過其漏電流較大、耐壓能力低，常用于高頻低壓儀表和開關(guān)電源。目前的研制水平為:普通整流管（8000V/5000A/400Hz）；快恢復整流管（6000V/1200A/1000Hz）；肖特基整流管（1000V/100A/200kHz）。
電力整流管對改善各種電力電子電路的性能、降低電路損耗和進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，人們已通過新奇結(jié)構(gòu)的設(shè)計和大規(guī)模集成電路制作工藝的運用，研制出集PIN整流管和肖特基整流管的優(yōu)點于一體的具有MPS、SPEED和SSD等結(jié)構(gòu)的新型高壓快恢復整流管。它們的通態(tài)壓降為1V左右，反向恢復時間為PIN整流管的1/2，反向恢復峰值電流為PIN整流管的1/3。
2，晶閘管及其派生器件
晶閘管誕生后，其結(jié)構(gòu)的改進和工藝的改革，為新器件的不斷出現(xiàn)提供了條件。 1964年，雙向晶閘管在GE公司開發(fā)成功，應(yīng)用于調(diào)光和馬達控制；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世，成為當時逆變電路的基本元件； 1974年，逆導晶閘管和非對稱晶閘管研制完成。
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，運用由它所構(gòu)成的電路對電網(wǎng)進行控制和變換是一種簡便而經(jīng)濟的辦法。不過，這種裝置的運行會產(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、負脈沖都可觸發(fā)導通，因而其控制電路比較簡單。其缺點是換向能力差、觸發(fā)靈敏度低、關(guān)斷時間較長，其水平已超過2000V/500A。
光控晶閘管是通過光信號控制晶閘管觸發(fā)導通的器件，它具有很強的抗干擾能力、良好的高壓盡緣性能和較高的瞬時過電壓承受能力，因而被應(yīng)用于高壓直流輸電（HVDC）、靜止無功功率補償（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)。
非對稱晶閘管是一種正、反向電壓耐量不對稱的晶閘管。而逆導晶閘管不過是非對稱晶閘管的一種特例，是將晶閘管反并聯(lián)一個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)斷時間短、正向壓降小、額定結(jié)溫高、高溫特性好等優(yōu)點，主要用于逆變器和整流器中。目前，國內(nèi)有廠家生產(chǎn)3000V/900A的非對稱晶閘管。
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3，門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）
1964年，美國第一次試制成功了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，只在汽車點火裝置和電視機行掃描電路中進行試用。自70年代中期開始，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9kV/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。GTO有對稱、非對稱和逆導三種類型。與對稱GTO相比，非對稱GTO通態(tài)壓降小、抗浪涌電流能力強、易于進步耐壓能力（3000Ｖ以上）。逆導型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)動中。
在當前各種自關(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)斷時需要很大的反向驅(qū)動電流； 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；今后，它也必將在高壓領(lǐng)域占有一席之地。
4，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70年代，其額定值已達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、開關(guān)損耗小、開關(guān)時間短，在電源、電機控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應(yīng)用廣泛。GTR的缺點是驅(qū)動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。在開關(guān)電源和UPS內(nèi)，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。
5，功率MOSFET
功率MOSFET是一種電壓控制型單極晶體管，它是通過柵極電壓來控制漏極電流的，因而它的一個明顯特點是驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率??；僅由多數(shù)載流子導電，無少子存儲效應(yīng)，高頻特性好，工作頻率高達100kHz以上，為所有電力電子器件中頻率之最，因而最適合應(yīng)用于開關(guān)電源、高頻感應(yīng)加熱等高頻場合；沒有二次擊穿題目，安全工作區(qū)廣，耐破壞性強。功率MOSFET的缺點是電流容量小、耐壓低、通態(tài)壓降大，不適宜運用于大功率裝置。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。
6，盡緣門極雙極型晶體管（IGBT）
IGBT是由美國GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，當時容量僅500V/20A，且存在一些技術(shù)題目。經(jīng)過幾年改進，IGBT于1986年開始正式生產(chǎn)并逐漸系列化。至90年代初，IGBT已開發(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效應(yīng)晶體管的復合。通過施加正向門極電壓形成溝道、提供晶體管基極電流使IGBT導通；反之，若提供反向門極電壓則可消除溝道、使IGBT因流過反向門極電流而關(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)動功率小、開關(guān)速度快、輸進阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點于一身，因此備受人們青睞。它的研制成功為進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、電壓等級與GTR接近，而比功率MOSFET高。目前，其研制水平已達4500V/1000A。由于IGBT具有上述特點，在中等功率容量（600V以上）的UPS、開關(guān)電源及交流電機控制用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)計出開關(guān)頻率高達150kHz的WARP系列400～600VIGBT，其開關(guān)特性與功率MOSFET接近，而導通損耗卻比功率MOSFET低得多。該系列IGBT有看在高頻150kHz整流器中取代功率MOSFET，并大大降低開關(guān)損耗。
IGBT的發(fā)展方向是進步耐壓能力和開關(guān)頻率、降低損耗以及開發(fā)具有集成保護功能的智能產(chǎn)品。
7，MOS控制晶閘管（MCT）
MCT最早由美國GE公司研制，是由MOSFET與晶閘管復合而成的新型器件。每個MCT器件由成千上萬的MCT元組成，而每個元又是由一個PNPN晶閘管、一個控制MCT導通的MOSFET和一個控制MCT關(guān)斷的MOSFET組成。MCT工作于超掣住狀態(tài)，是一個真正的PNPN器件，這正是其通態(tài)電阻遠低于其它場效應(yīng)器件的最主要原因。MCT既具備功率MOSFET輸進阻抗高、驅(qū)動功率小、開關(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。其芯片連續(xù)電流密度在各種器件中最高，通態(tài)壓降不過是IGBT或GTR的1/3，而開關(guān)速度則超過GTR。此外，由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面積通斷，故MCT具有很強的導通di/dt和阻斷dV/dt能力，其值高達2000A/ s 和2000V/ s。其工作結(jié)溫亦高達150～200℃。
已研制出阻斷電壓達4000V的MCT，75A/1000VMCT已應(yīng)用于串聯(lián)諧振變換器。隨著性能價格比的不斷優(yōu)化，MCT將逐漸走進應(yīng)用領(lǐng)域并有可能取代高壓GTO，與IGBT的競爭亦將在中功率領(lǐng)域展開。
8，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，是機電一體化的關(guān)鍵接口元件。將功率器件及其驅(qū)動電路、保護電路、接口電路等外圍電路集成在一個或幾個芯片上，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，故常用于小型電機驅(qū)動、平板顯示驅(qū)動及長途電話通訊電路等高電壓、小電流場合。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是由一個或幾個縱型結(jié)構(gòu)的功率器件與控制和保護電路集成而成，電流容量大而耐壓能力差，適合作為電機驅(qū)動、汽車功率開關(guān)及調(diào)壓器等。
IPM除了集成功率器件和驅(qū)動電路以外，還集成了過壓、過流、過熱等故障監(jiān)測電路，并可將監(jiān)測信號傳送至CPU，以保證IPM自身在任何情況下不受損壞。當前，IPM中的功率器件一般由IGBT充當。由于IPM體積小、可靠性高、使用方便，故深受用戶喜愛。IPM主要用于交流電機控制、家用電器等。已有400V/55kW/20kHzIPM面市。
自1981年美國試制出第一個PIC以來，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)展并進進普遍實用階段。
新材料驅(qū)動電力電子器件未來
以上所述各種電力電子器件一般都是由硅（Si）半導體材料制成的。除此之外，近年來還出現(xiàn)了很多性能優(yōu)良的新型化合物半導體材料，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)。
1，砷化鎵材料
GaAs是一種很有發(fā)展遠景的半導體材料。與Si相比，GaAs有兩個獨特的優(yōu)點：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，進步開關(guān)頻率（1MHz以上）。
當然，由于GaAs材料禁帶寬度大，也帶來正向壓降比較大的不利因素，不過其電子遷移率可在一定程度上補償這種影響。
GaAs整流元件在Motorola公司的一些老用戶中間，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)備和計算機中。預(yù)計，隨著200V耐壓GaAs整流器件生產(chǎn)工藝技術(shù)的改進，器件將獲得優(yōu)化，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)粩鄶U大。
2，碳化硅材料
SiC是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導體材料，作為Si和GaAs的重要補充，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、高壓器件對于公電輸運和電動汽車的節(jié)能具有重要意義?！ ?/div>
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4 5kV）和肖特基勢壘二極管（300K溫度下耐壓達1kV），廣泛運用于火車機頭、有軌電車、產(chǎn)業(yè)發(fā)電機和高壓輸電變電裝置中。
3，磷化銦材料
InP是一種ⅢⅤ族化合物半導體材料，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、更高的熱導率、高場下更高的電子均勻速度，且表面復合速率比GaAs低幾乎3個數(shù)目級，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340GHz。
4，鍺化硅材料
據(jù)報道，德國TenicTelefunkenMicroelectronic公司計劃于1998年一季度開始批量生產(chǎn)無線應(yīng)用的SiGe芯片，其截止頻率為50GHz～110GHz。這標志著SiGe器件正式進進應(yīng)用領(lǐng)域。
電力電子器件的應(yīng)用已深進到產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)和社會生活的各個方面，實際的需要必將極大地推動器件的不斷創(chuàng)新。微電子學中的超大規(guī)模集成電路技術(shù)將在電力電子器件的制作中得到更廣泛的應(yīng)用；具有高載流子遷移率、強的熱電傳導性以及寬帶隙的新型半導體材料，如砷化鎵、碳化硅、人造金剛石等的運用將有助于開發(fā)新一代高結(jié)溫、高頻率、高動態(tài)參數(shù)的器件。從結(jié)構(gòu)看，器件將復合型、模塊化；從性能看，發(fā)展方向?qū)⑹沁M步容量和工作頻率、降低通態(tài)壓降、減小驅(qū)動功率、改善動態(tài)參數(shù)和多功能化；從應(yīng)用看，MPS電力整流管、MOSFET、IGBT、MCT是最有發(fā)展遠景的器件。
今后研制工作的重點將是進一步改善MPS的軟反向恢復特性，進步IGBT和MCT的開關(guān)頻率和額定容量，研制智能MOSFET和IGBT模塊，發(fā)展功率集成電路以及其它功率器件。GTO將繼續(xù)在超高壓、大功率領(lǐng)域發(fā)揮作用；功率MOSFET在高頻、低壓、小功率領(lǐng)域具有竟爭上風；超高壓（8000V以上）、大電流普通晶閘管在高壓直流輸電和靜止無功功率補償裝置中的作用將會得到延續(xù)，而低壓普通晶閘管和GTR則將逐步被功率MOSFET（600V以下）和IGBT（600V以上）所代替； MCT最具發(fā)展前途?？梢灶A(yù)見，電力電子器件的發(fā)展將會日新月異，電力電子器件的未來將布滿生機。
