現(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展與現(xiàn)狀

電力電子器件的回顧

電力電子器件又稱(chēng)作開(kāi)關(guān)器件，相當(dāng)于信號(hào)電路中的a/d采樣，稱(chēng)之為功率采樣，器件的工作過(guò)程就是能量過(guò)渡過(guò)程，其可靠性決定了系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)可控程度可以把電力電子器件分成兩類(lèi)：

半控型器件——第一代電力電子器件

上個(gè)世紀(jì)50年代，美國(guó)通用電氣公司發(fā)明的硅晶閘管的問(wèn)世，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的開(kāi)端。此后，晶閘管(scr)的派生器件越來(lái)越多，到了70年代，已經(jīng)派生了快速晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、不對(duì)稱(chēng)晶閘管等半控型器件，功率越來(lái)越大，性能日益完善。但是由于晶閘管本身工作頻率較低（一般低于400hz），大大限制了它的應(yīng)用。此外，關(guān)斷這些器件，需要強(qiáng)迫換相電路，使得整體重量和體積增大、效率和可靠性降低。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電力電子器件仍以晶閘管為主。

全控型器件——第二代電力電子器件

隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破以及需求的發(fā)展，早期的小功率、低頻、半控型器件發(fā)展到了現(xiàn)在的超大功率、高頻、全控型器件。由于全控型器件可以控制開(kāi)通和關(guān)斷，大大提高了開(kāi)關(guān)控制的靈活性。自70年代后期以來(lái)，可關(guān)斷晶閘管(gto)、電力晶體管(gtr或bjt)及其模塊相繼實(shí)用化。此后各種高頻全控型器件不斷問(wèn)世，并得到迅速發(fā)展。這些器件主要有電力場(chǎng)控晶體管(即功率mosfet)、絕緣柵極雙極晶體管(igt或igbt)、靜電感應(yīng)晶體管(sit)和靜電感應(yīng)晶閘管(sith)等。

電力電子器件的最新發(fā)展

現(xiàn)代電力電子器件仍然在向大功率、易驅(qū)動(dòng)和高頻化方向發(fā)展。電力電子模塊化是其向高功率密度發(fā)展的重要一步。當(dāng)前電力電子器件的主要發(fā)展成果如下：

igbt：絕緣柵雙極晶體管

igbt(insulated gate bipolar transistor)是一種n溝道增強(qiáng)型場(chǎng)控(電壓)復(fù)合器件，如圖1所示。它屬于少子器件類(lèi)，兼有功率mosfet和雙極性器件的優(yōu)點(diǎn)：輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快、安全工作區(qū)寬、飽和壓降低（甚至接近gtr的飽和壓降）、耐壓高、電流大。igbt有望用于直流電壓為1500v的高壓變流系統(tǒng)中。

目前，已研制出的高功率溝槽柵結(jié)構(gòu)igbt(trench igbt)是高耐壓大電流igbt器件通常采用的結(jié)構(gòu)，它避免了模塊內(nèi)部大量的電極引線，減小了引線電感，提高了可靠性。其缺點(diǎn)是芯片面積利用率下降。這種平板壓接結(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。

mct：mos控制晶閘管

mct(mos-controlled thyristor)是一種新型mos與雙極復(fù)合型器件，如圖2所示。它采用集成電路工藝，在普通晶閘管結(jié)構(gòu)中制作大量mos器件，通過(guò)mos器件的通斷來(lái)控制晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷。mct既具有晶閘管良好的關(guān)斷和導(dǎo)通特性，又具備mos場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率低和開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，克服了晶閘管速度慢、不能自關(guān)斷和高壓mos場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通壓降大的不足。所以mct被認(rèn)為是很有發(fā)展前途的新型功率器件。mct器件的最大可關(guān)斷電流已達(dá)到300a，最高阻斷電壓為3kv，可關(guān)斷電流密度為325a/cm2，且已試制出由12個(gè)mct并聯(lián)組成的模塊。

igct：集成門(mén)極換流晶閘管

igct(intergrated gate commutated thyristors)是一種用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導(dǎo)體器件。igct使變流裝置在功率、可靠性、開(kāi)關(guān)速度、效率、成本、重量和體積等方面都取得了巨大進(jìn)展，給電力電子成套裝置帶來(lái)了新的飛躍。igct是將gto芯片與反并聯(lián)二極管和門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，再與其門(mén)極驅(qū)動(dòng)器在外圍以低電感方式連接，結(jié)合了晶體管的穩(wěn)定關(guān)斷能力和晶閘管低通態(tài)損耗的優(yōu)點(diǎn)，在導(dǎo)通階段發(fā)揮晶閘管的性能，關(guān)斷階段呈現(xiàn)晶體管的特性。igct具有電流大、電壓高、開(kāi)關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、損耗低等特點(diǎn)，而且造成本低，成品率高，有很好的應(yīng)用前景。

采用晶閘管技術(shù)的gto是常用的大功率開(kāi)關(guān)器件，它相對(duì)于采用晶體管技術(shù)的igbt在截止電壓上有更高的性能，但廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)gto驅(qū)動(dòng)技術(shù)造成不均勻的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程，需要高成本的dv/dt和di/dt吸收電路和較大功率的門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元，因而造成可靠性下降，價(jià)格較高，也不利于串聯(lián)。但是，在大功率mct技術(shù)尚未成熟以前，igct已經(jīng)成為高壓大功率低頻交流器的優(yōu)選方案。

在國(guó)外，瑞典的abb公司已經(jīng)推出比較成熟的高壓大容量igct產(chǎn)品。在國(guó)內(nèi)，由于價(jià)格等因素，目前只有包括清華大學(xué)在內(nèi)的少數(shù)幾家科研機(jī)構(gòu)在自己開(kāi)發(fā)的電力電子裝置中應(yīng)用了igct。

iegt：電子注入增強(qiáng)柵晶體管

iegt(injection enhanced gate transistor)是耐壓達(dá)4kv以上的igbt系列電力電子器件，通過(guò)采取增強(qiáng)注入的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了低通態(tài)電壓，使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發(fā)展。 iegt具有作為mos系列電力電子器件的潛在發(fā)展前景，具有低損耗、高速動(dòng)作、高耐壓、有源柵驅(qū)動(dòng)智能化等特點(diǎn)，以及采用溝槽結(jié)構(gòu)和多芯片并聯(lián)而自均流的特性，使其在進(jìn)一步擴(kuò)大電流容量方面頗具潛力。另外，通過(guò)模塊封裝方式還可提供眾多派生產(chǎn)品，在大、中容量變換器應(yīng)用中被寄予厚望。

日本東芝開(kāi)發(fā)的iect利用了“電子注入增強(qiáng)效應(yīng)”，使之兼有igbt和gto兩者的優(yōu)點(diǎn)：低飽和壓降，寬安全工作區(qū)(吸收回路容量?jī)H為gto的1/10左右)，低柵極驅(qū)動(dòng)功率(比gto低兩個(gè)數(shù)量級(jí))和較高的工作頻率，如圖3所示。器件采用平板壓接式電極引出結(jié)構(gòu)，可靠性高，性能已經(jīng)達(dá)到4.5kv/1500a的水平。

ipem(intergrated power elactronics modules)是將電力電子裝置的諸多器件集成在一起的模塊。它首先將半導(dǎo)體器件mosfet、igbt或mct與二極管的芯片封裝在一起組成一個(gè)積木單元，然后將這些積木單元迭裝到開(kāi)孔的高電導(dǎo)率的絕緣陶瓷襯底上，在它的下面依次是銅基板、氧化鈹瓷片和散熱片。在積木單元的上部，則通過(guò)表面貼裝將控制電路、門(mén)極驅(qū)動(dòng)、電流和溫度傳感器以及保護(hù)電路集成在一個(gè)薄絕緣層上，如圖4所示。ipem實(shí)現(xiàn)了電力電子技術(shù)的智能化和模塊化，大大降低了電路接線電感、系統(tǒng)噪聲和寄生振蕩，提高了系統(tǒng)效率及可靠性。

pebb(power electric building block)是在ipem的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的可處理電能集成的器件或模塊。pebb并不是一種特定的半導(dǎo)體器件，它是依照最優(yōu)的電路結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同器件和技術(shù)的集成。典型的pebb如圖5所示。雖然它看起來(lái)很像功率半導(dǎo)體模塊，但pebb除了包括功率半導(dǎo)體器件外，還包括門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路、電平轉(zhuǎn)換、傳感器、保護(hù)電路、電源和無(wú)源器件。

基于新型材料的電力電子器件

sic（碳化硅）是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，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(duì)于公電輸運(yùn)和電動(dòng)汽車(chē)等設(shè)備的節(jié)能具有重要意義。silicon（硅）基器件在今后的發(fā)展空間已經(jīng)相對(duì)窄小，目前研究的方向是sic等下一代半導(dǎo)體材料。采用sic的新器件將在今后5～10年內(nèi)出現(xiàn)，并將對(duì)半導(dǎo)體材料產(chǎn)生革命性的影響。用這種材料制成的功率器件，性能指標(biāo)比砷化鎵器件還要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。碳化硅與其他半導(dǎo)體材料相比，具有下列優(yōu)異的物理特點(diǎn): 高禁帶寬度、高飽和電子漂移速度、高擊穿強(qiáng)度、低介電常數(shù)和高熱導(dǎo)率。上述這些優(yōu)異的物理特性,決定了碳化硅在高溫、高頻率、高功率的應(yīng)用場(chǎng)合是極為理想的材料。在同樣的耐壓和電流條件下，sic器件的漂移區(qū)電阻要比硅低200倍，即使高耐壓的 sic場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通壓降，也比單極型、雙極型硅器件低得多。而且，sic器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間可達(dá)10ns級(jí)。

sic可以用來(lái)制造射頻和微波功率器件、高頻整流器、mesfet、mosfet和jfet等。sic高頻功率器件已在motorola公司研發(fā)成功，并應(yīng)用于微波和射頻裝置；美國(guó)通用電氣公司正在開(kāi)發(fā)sic功率器件和高溫器件；西屋公司已經(jīng)制造出了在26ghz頻率下工作的甚高頻mesfet；abb公司正在研制用于工業(yè)和電力系統(tǒng)的高壓、大功率sic整流器和其他sic低頻功率器件。理論分析表明，sic功率器件非常接近于理想的功率器件。sic器件的研發(fā)將成為未來(lái)的一個(gè)主要趨勢(shì)。但在sic材料和功率器件的機(jī)理、理論和制造工藝等方面，還有大量問(wèn)題有待解決，sic要真正引領(lǐng)電力電子技術(shù)領(lǐng)域的又一次革命，估計(jì)至少還要十幾年的時(shí)間。

小 結(jié)

電力電子器件正進(jìn)入以新型器件為主的新時(shí)代，作為電力電子技術(shù)發(fā)展的決定性因素，電力電子器件的研發(fā)及關(guān)鍵技術(shù)突破，必然會(huì)促進(jìn)電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)工業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。