電子電子器件的發(fā)展、分類與應(yīng)用

1、電力電子器件及其發(fā)展現(xiàn)狀

　　電力電子技術(shù)(power electronic technology)是以電力為對(duì)象的電子技術(shù)，是一門利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換與控制的新興學(xué)科。電力電子技術(shù)包括如下三大部分：

　　(1)    電力電子器件(power electronic device)；

　　(2)    電力電子(功率)交流技術(shù)(power conversion technique)，包括改變頻率、電壓、電流及變換相數(shù)等；

　　(3)    控制技術(shù)。

　　電力電子技術(shù)的應(yīng)用已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)方面。典型的用途如電化學(xué)、直流傳動(dòng)、交流傳動(dòng)、電機(jī)勵(lì)磁、電鍍及電加工、中頻感應(yīng)加加熱、交流不間斷電源、穩(wěn)定電源、電子開關(guān)、高壓靜電除塵、直流輸電和無功補(bǔ)償?shù)?。電力電子技術(shù)已成為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)，可以有效地節(jié)約能源，并成為新能源(燃料電池、太陽能和風(fēng)力發(fā)電等)與電網(wǎng)的中間接口。

　　1948年普通晶體管的發(fā)明引起了電子工業(yè)革命。半導(dǎo)體器件首先應(yīng)用于小功率領(lǐng)域，如通信、信息處理的計(jì)算機(jī)。1958年，從美國(guó)通用電氣公司研制第一個(gè)工業(yè)用的普通晶閘管開始，大大擴(kuò)展了半導(dǎo)體器件功率控制的范圍。電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機(jī)組、靜止的離子變流器進(jìn)入到以電力半導(dǎo)體器件組成的變流器時(shí)代，這標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生，晶閘管為電力電子學(xué)科的建立立下了汗馬功勞。晶閘管是半控型器件，不能自關(guān)斷，屬于第一代電力電子器件。至今晶閘管及其派生器件仍廣泛應(yīng)用于各種變流器，并且還在發(fā)展中。由于包括晶閘管在內(nèi)的電力電子器件具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、響應(yīng)快等特點(diǎn)，用它構(gòu)成的變流裝置具有可靠性高、壽命長(zhǎng)、容易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，特別是它可節(jié)約能源；所以得到飛速的發(fā)展。可以認(rèn)為電力電子學(xué)就是應(yīng)用在電力技術(shù)領(lǐng)域中的電子學(xué)，它是電氣工程中電力、電子和控制三大主要領(lǐng)域之間的邊緣學(xué)科。

　　30多年來，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展，一代又一代的電力電子器件相繼問世，使它的應(yīng)用領(lǐng)域迅猛擴(kuò)大，如交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的蓬勃發(fā)展和日益迫切需要可控制關(guān)斷的(即自關(guān)斷的)電力電子器件(全控型器件)；因此相繼出現(xiàn)了電力晶體管(GTR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)等，這些可稱為第二代電力電子器件。

到20世紀(jì)80年代后期，出現(xiàn)了以絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)為代表的復(fù)合型器件。IGBT是MOSFET和GTR的復(fù)合，它是用MOSFET驅(qū)動(dòng)雙極型晶體管，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。與此相仿，MCT（MOS controlled thyristor）是MOSFET驅(qū)動(dòng)晶閘管的復(fù)合器件，集場(chǎng)效應(yīng)晶體管與晶閘管的優(yōu)點(diǎn)于一身，被認(rèn)為是性能最好，最有發(fā)展前途的一種新器件。

　　這些電力電子器件的形成及發(fā)展過程可用圖1所示的樹型圖來表示。

　　可以說，20世紀(jì)70年代評(píng)價(jià)電力電子器件的品質(zhì)因數(shù)的主要標(biāo)準(zhǔn)是大容量，即電流與電壓的乘積。到20世紀(jì)80年代，器件發(fā)展的主要目標(biāo)是高頻化，所以評(píng)價(jià)器件品質(zhì)因數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)是功率與頻率的乘積。到20世紀(jì)90年代，電力電子器件發(fā)展的主要目標(biāo)是高性能化，即大容量、高頻率、易驅(qū)動(dòng)、低損耗。因此評(píng)價(jià)器件品質(zhì)因數(shù)的主要標(biāo)準(zhǔn)是容量、開關(guān)速度、驅(qū)動(dòng)功率、通態(tài)壓降、芯片利用率。為了實(shí)現(xiàn)這一高性能化，將出現(xiàn)許多重要的工藝，如平面工藝、大規(guī)模集成工藝、多層金屬化、厚膜技術(shù)和高能量技術(shù)。{{分頁}}

2、常用電力電子器件的分類及其應(yīng)用領(lǐng)域

　　電力電子器件的種類很多，按開關(guān)控制性能劃分；如圖2所示。

　　表1歸納了常用電力電子器件的特性、代表性應(yīng)用領(lǐng)域及常見生產(chǎn)企業(yè)。

3、電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)

　　電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾方面。

　?。?） 制作材料新型化。新型材料砷化鎵(CaAs)、鎵鋁砷(GaAlAs)、碳化硅和金剛石等將得到發(fā)展和應(yīng)用。其中，以碳化硅最有前途，已有相關(guān)樣品，且研究表明，用碳化硅制作出的電力電子器件，工藝與硅材料部分兼容，但用碳化硅制作的器件的性能要比硅器件優(yōu)良得多。{{分頁}}

　?。?） 制造工藝和技術(shù)將得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，可望有新的突破。其目的是提高各種電力電子器件的容量，使其具有更高的電壓、更大的電流、更快的開關(guān)速度及更小的通態(tài)壓降。

　?。?） 冷卻技術(shù)將另辟蹊徑。雖然器件的冷卻技術(shù)從自然冷卻、風(fēng)冷、水冷、油冷、熱管冷卻發(fā)展到沸騰冷卻；但從保護(hù)臭氧層出發(fā)，采用氟利昂的沸騰冷卻技術(shù)將不斷得到廣泛地應(yīng)用。這就要求用冷卻材料和技術(shù)進(jìn)一步開發(fā)新型的電力電子器件。

　　（4） 各種電力電子器件將朝著高壓、大電流及高頻率方向發(fā)展，SCR、GTR短時(shí)間不會(huì)退出歷史舞臺(tái)。目前，高壓IGBT已對(duì)傳統(tǒng)GTO技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，而對(duì)傳統(tǒng)GTO的巨大改進(jìn)，則產(chǎn)生了集成門極換向晶閘管IGCT技術(shù)。在中、高壓功率應(yīng)用中，要求將成熟的低損耗晶閘管技術(shù)與無吸收高性能價(jià)格比的門極關(guān)斷特性有機(jī)地結(jié)合起來。迄今為止，IGBT與IGCT是符合這種要求的最佳器件。地未來的一段時(shí)間里，將是各種電力電子器件擴(kuò)大容量、取長(zhǎng)補(bǔ)短、公平競(jìng)爭(zhēng)、共同發(fā)展的時(shí)代，它們各自的性能價(jià)格比將直接影響其自身發(fā)展速度和應(yīng)用領(lǐng)域。圖3給出了2000年相對(duì)1996年部分電力電子器件達(dá)到的功率、頻率及占領(lǐng)市場(chǎng)的功率范圍。

　　（5） 各種電力電子器件將高度模塊化。電力電子器件模塊的電壓、電流及頻率都將進(jìn)一步提高，而體積可望隨新材料的出現(xiàn)而減小，有可能深入到各個(gè)領(lǐng)域，進(jìn)而取代一大批分立式電力電子器件。

　?。?） PIC的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)大。將出現(xiàn)電力電子器件與微電子線路高度集成的模塊，它將進(jìn)入視聽、大屏幕顯示、辦公自動(dòng)化、汽車工業(yè)、機(jī)器人、工廠自動(dòng)化及家庭自動(dòng)化領(lǐng)域。與其他替換產(chǎn)品相比，PIC能以較低的成本或更高的可靠性達(dá)到特定的功能，所以它的批量使用將推動(dòng)電力電子技術(shù)的進(jìn)步。