电力电子器件的发展及应用

电力电子器件的发展及应用

研1506 苏智清 s20150273

摘 要：本文简单介绍了电力技术的分类, 回顾了电力电子技术及其器件的发展过程, 说明了现在主流的电力电子器件的工作原理、应用范围及其优缺点, 探讨了在本世纪中新型电力电子器件的应用。

关键词：复合型电力电子器件；新型材料的电力电子器件；电力电子器件的应用

1引言

电力电子学是电工学的一个分支，是由电力系统、控制理论与电子学等学科共同发展起来的一个新型边缘性学科。电力电子学的主要特点是具有很强的应用性，同时与其他学科有着很好的交叉融合性，这也是电力电子学的基础理论与应用技术能够在短短几十年间飞速发展的一个相当重要的因素。目前，电力电子技术的应用已经从机械、石化、纺织、冶金、电力、铁路、航空、航海等一系列领域，进一步扩展到汽车、现代通信、家用电器、医疗设备、灯光照明等各个领域。进入 21 世纪，伴随着新理论、新器件、新技术的不断涌现，尤其是与微电子技术的日益融合，电力电子技术作为信息产业和传统产业之间的桥梁，在国民经济中必将占有越来越重要的地位，在各领域中的应用也必将不断得到拓展。

2电力电子器件的发展

2.1

半控型器件

上世纪50年代，美国通用电气公司发明世界上第个晶闸管，标志电力电子技术的诞生。此后，晶闸管得到了迅速发展，器件容量越来越大，性能得到不断提高，并产生大量派生器件，如快速晶闸管逆导晶闸管等等。但是，晶闸管作为半控型器件，只能通过门极导通，不能控制关断。要关断必须通过强迫换相电路，从而装置体积增大，复杂程度提高，效率降低。另外，晶闸管为双极型器件，有少子效应，所以工作频率低，由于这些原因，使得晶闸管的应用受到限制。

虽然晶闸管有以上缺点，但由于它的大电压大电流特性，使在高压直流输电静止无功补偿，大功率和高压变频调速等方面仍占有重要位置。

2.2

全控型器件

2.2.1 门极可关断晶闸管（GTO）

GTO有对称，非对称和逆导三种类型。对称GTO通态压降小，抗浪涌能力强，易于提高耐压能力。逆导型GTO是在同一芯片上将GTO与整流二极管反并联制成的集成器件，不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中。

在当前各种自关断器件中，GTO容量做大，工作最低。GTO是电流控制型器件，因而关断需要很大的反向驱动电流。目前，GTO在低于2000V某些领域被GTR和IGBTDE所替代，但在大功率电力牵引有明显优势。

2.2.2 大功率晶体管（GTR）

GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，它既具备晶体管的固有特性，又增加

功率容量，因此，由它组成的电路灵活，成熟，开关损耗小，开关时间短，在电源电机控制，通用逆变器等中等容量，中等频率的电路中广泛应用。GTR的缺点驱动电流较大，耐浪涌电流能力差，易受二次击穿损坏。在开关电源GTR渐渐被功率MOSFET和IGBT代替。

2.2.3 功率MOSFET

功率 MOSFET 是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小；仅由多数载流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达 100k Hz 以上，为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合；没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。功率 MOSFET 的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。

2.3

复合型电力电子器件

2.3.1 绝缘门极双极型晶体管（IGBT）

IGBT 可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使 IGBT 导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使 IGBT 因流过反向门极电流而关断。IGBT 集 GTR 通态压降小、载流密度大、耐压高和功率 MOSFET 驱动功率小、开关速度

快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。

比较而言，IGBT 的开关速度低于功率 MOSFET，却明显高于 GTR；IGBT 的通态压降同 GTR 相近，但比功率 MOSFET 低得多；IGBT 的电流、电压等级与 GTR 接近，而比功率 MOSFET 高。由于 IGBT 具有上述特点，在中等功率容量 (600V 以上)的UPS、开关电源及交流电机控制用 PWM 逆变器中，IGBT 已逐步替代 GTR 成为核心元件。

2.3.2 MOS控制晶闸管（MCT）

MCT 最早由美国 GE 公司研制，是由 MOSFET 与晶闸管复合而成的新型器件。每个 MCT 器件由成千上万的 MCT 元组成，而每个元又是由一个 PNPN 晶闸管、一个控制 MCT 导通的MOSFET 和一个控制 MCT 关断的 MOSFET 组成。MCT 工作于超掣住状态，是一个真正的 PNPN 器件，这正是其通态电阻远低于其它场效应器件的最主要原因。MCT 既具备功率 MOSFET 输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是 IGBT 或 GTR 的 1/3，而开关速度则超过 GTR。此外，由于 MCT 中的 MOSFET 元能控制 MCT 芯片的全面积通断，故 MCT 具有很强的导通 di/dt 和阻断 d V/dt 能力，其值高达 2000A/s 和 2000V/s。其工作结温亦高达 150～200℃。

2.3.3 功率集成电路（PIC）

PIC 是电力电子器件技术与微电子技术相结合的产物，是机电一体化的关键接口元件。将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，就制成了 PIC。一般认为，PIC 的额定功率应大于 1W。功率集成电路还可以分为高压功率集成电路(HVIC)、智能功率集成电路(SPIC)和智能功率模块(IPM)。

HVIC 是多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路在单片上的集成，由于它的功率器

件是横向的、电流容量较小，而控制电路的电流密度较大，故常用于小型电机驱动、平板显示驱动及长途电话通信电路等高电压、小电流场合。已有

110V/13A 和 550V/0.5A、80V/2A/200k Hz 以及 500V/600m A 的HVIC 分别用于上述装置。

SPIC 是由一个或几个纵型结构的功率器件与控制和保护电路集成而成，电流容量大而耐压能力差，适合作为电机驱动、汽车功率开关及调压器等。

IPM 除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故障监测电路，并可将监测信号传送至 CPU，以保证 IPM 自身在任何情况下不受损坏。当前，IPM 中的功率器件一般由 IGBT 充当。由于 IPM 体积小、可靠性高、使用方便，故深受用户喜爱。IPM 主要用于交流电机控制、家用电器等。已有 400V/55k W/20k Hz IPM 面市。自 1981 年美国试制出第一个 PIC 以来，PIC 技术获得了快速发展；今后，PIC 必将朝着高压化、智能化的方向更快发展并进入普遍实用阶段。

2.4

新型材料的电力电子器件

2.4.1 砷化稼材料

GaAs是一种很有发展前景的半导体材料。与Si相比，GaAs有两个独特的优点:①禁带宽度能量为1. 4eV，较Si的1. leV要高。正因如此，GaAs整流元件可在350℃的高温卜工作(Si整流元件只能达200 0C )，具有很好的耐高温特性，有利于模块小型化;② GaAs材料的电子迁移率为8000cm2/Vs,是Si材料的5倍，因而同容量的器件几何尺寸更小，从而可减小寄生电容，提高开关频率(1MH:以上)。

当然，由于GaAs材料禁带宽度大，也带来正向压降比较大的不利因素，不过其电子迁移率可在一定程度上补偿这种影响。

2.4.2 碳化硅材料

SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，作为Si和GaAs的重要补充，可制作出性能更加优异的高温(300500 0C )、高频、高功率、高速度、抗辐射器件。SiC高功率、高压

器件对于公电输运和电动汽车的节能具有重要意义。

碳化硅与其他半导体材料相比，具有下列优异的物理特点:高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率。上述这些优异的物理特性，决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和

电流条件下，SiC器件的漂移区电阻要比硅低200倍，即使高耐压的SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的导通压将低得多。而且，SiC器件的开关时间可达lOns量级，并具有十分优越的FBSOA。

SiC可以用来制造射频和微波功率器件，各种高频整流器，MESFETs, MOSFETs和IFETs等。高电压的SiC整流器和其他SiC低频功率器件，用于工业和电力系统。理论分析表明，SiC功率器件非常接近于理想的功率器件。可以预见，各种SiC器件的研究与开发，必将成为功率器件研究领域的主要潮流之一。

3电力电子器件的应用

3.1 在新能源和电力系统中的应用

电力系统是电力电子技术应用中最重要和最有潜力的市场领域，电力电子技术在电能的发生、输送、分配和使用的全过程都得到了广泛而重要的应用。从用电角度来说，要利用电力电子技术进行节能技术改造，提高用电效率;从发、输配电角度来说，必须利用电力电子技术提高发电效率和提高输配电质量。

3.2 在轨道交通和电动汽车中的应用

电力电子技术在轨道交通牵引系统中的应用主要分为三个方面:主传动系统、辅助传动系统、控制与辅助系统中的稳压电源。在电力电子技术的带动下，电传动系统由直流传动走向现代交流传动。电力电子器件容量和性能的提高、封装形式的改进，以及功能单元的模块化设计技术促进了传动系统装置的简约化，促进牵引电传动系统、辅助系统和控制与辅助电流稳压电源的发展。电动汽车的电机用蓄电池为能源，靠电力电子装置来进行电力变换与驱动控制，其蓄电池的充电也是离不开电力电子技术的。

3.3 工业电机节能应用

电动机作为电能最大的消费载体，具有很大的节电潜力。我国“十五”和“十一五”计划都将电机系统节能列为节能的重点项目。而随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制。

3.4 在消费类电子中的应用

电力电子技术在消费类电子中的应用主要集中于各类家电中电机的驱动、感应加热、照明驱动和各类个人电子用品电源管理，家用电器依托变频技术，主要瞄准高功能和省电。

3.5 在国防军工中的应用

电力电子技术及电力电子装置已日益广泛地应用和渗透到能源、环境、制造业、交通运输业中，特别是与国家安全和国防有关的先进能源技术、激光技术、空天技术、高档数控机床与基础制造技术等许多重要领域，电力电子技术是关系到上述领域中的核心技术所在。电力电子在现代化国防中得到越来越广泛的应用，所有现代国防装备的特种供电电源、电力驱动、推进、控制等均涉及到电力电子核心技术。

4结论

未来一个时期，电力电子行业将迎来良好的发展前景，而自主创新是电力电子行业发展的持久动力。只有通过自主创新，用创新精神引领企业，掌握核心技术，才能提高企业的竞争力；只有通过自主创新、才能摆脱目前低水平重复建设和低价格恶性竞争的局面，进一步发展和壮大企业，才能尽快缩短与发达国家的差距，促进电力电子行业的高速发展。为缩短与发达国家的差距，促进我国新型电力电子器件的早日问世，电力电子行业加强自主创新是当务之急。未来几年，全行业要着眼前沿技术，努力打造自主品牌，加大技术研究力量和资金投入，积极推动自主创新能力的提高。而电力电子器件正在进入以新型器件为主的新时代，作为电力电子技术发展的决定性因素，电力电子器件的研发及关键技术突破，必然会促进电力电子技术的迅速发展，进而促进以电力电子技术为基础的传统工业和高新技术产业的迅速发展。

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