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现代电力电子器件
Modern Power Electronic Components
李现兵,牛忠霞,张峰,黄娟解放军信息工程大学(郑州450002)
Li Xianbing, Niu Zhongxia, Zhang Feng, Huang Juan Information Engineering University(450002)
摘要:本文简单回顾了电力电子技术及电力电子器件的发展过程,介绍了IGBT、IGCT等主流现代电力电子器件的工
作原理、现状和发展动态。最后,探讨了现代电力电子器件的发展展望
叙词:电力电子技术,电力电子器件,发展
Abstract: This paper reviews the development process of power electronic technology and its componerlts
ancl introduces the principle, status quo and dynamic developmellt of the mainstream power
clcctronic components. At last, the author has a discussion on the devclopment of modorn power
Keywords: power electronic technology, power electronic components, devc I opment
中图分类号:TM4文献标识码:A文章縮号:1606-7517(2009)04-5-87
1引言
为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复
电力电子技术包括功率半导体器件与C技术、功率合器件,标志着传统电力电子技术已经进入现代电力电子
变換技术及控制技术等几个方面,其中电力电子器件是电时代。以功率器件为核心的现代电力电子装置,在整台装
力电子技术的重要基础,也是电力电子技术发展的“机置中通常不超过总价值的20%-30%,但是,它对提高装
车”。现代电力电子技术无论对改造传统エ业(电力、机置的各项技术指标和技术性能,却起着十分重要的作用。
械、矿治、交通、化工、轻纺等),还是对高新技术产业
航天、激光、通信、机器人等)都至关重要,它已迅速
2电力电子器件的回顾
发展成为一门独立学科领域。它的应用领域几乎涉及到国
电力电子器件又称作开关器件,相当于信号电路中的
民经济的各个工业部门,毫无疑问,它将成21世纪的关键A/D采样,称之为功率采样,器件的工作过程就是能量过
技术之
渡过程,其可靠性决定了装置和系统的可靠性。根据可控
代器件決定一代电力电子技术。"每一代新型电程度以及构造特点等因素可以把电力电子器件分成四类:
力电子器件的出现,总是带来一场电力电子技术的革命。
(1)半控型器件一第一代电力电子器件
从1958年美国通用电气(GE)公司研制出世界上第一个
自从20世纪50年代,由美国通用电气公司发明的硅晶
工业用普通晶闸管开始,电能的变换和控制从旋转的变流间管的问世,标志着电力电子技术的开端。此后,晶闸管
机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的変流(SCR)的派生器件越来越多,到了20世纪70年代,已经
器时代,这标志着电力电子技术的诞生。20世纪80年代派生了快速晶间管、逆导晶间管、双向晶闸管、不对称晶间
末期和90年代初期发展起来的、以功率 VOSFET和IGBT管等半控型器件,电力电子器件的功率也越来越大,性能日
2009.04?國際電变壓器87
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益完善。但是由于晶闸管的固有特性,工作频率较低(一般件,如图1所示。它属于少子器件类,却兼有了 POWER
低于400Hz),大大限制了它的应用范围,并且由于其固有 MOSFET和双极性器件的优点:高的输入阻抗(容抗性
的特性,比如关断这些器件必须要有强迫换相电路,使得整质)、开关速度快、安全工作区宽;饱和压降比较低,甚
体体积增大、重量增加、效率降低、可靠性下降。目前,国至接近GTR的饱和压降,耐压高、电流大,因此,1GBT
内生产的电力电子器件仍以晶闸管为主,其中的一些中低档将是促进高频电力电子技术发展的一种比较理想的基础元
产品业已成熟,并有相当批量出口。
件,其可望用于直流电压为1500V的高压变流系统。
(2)全控型器件一一第二代电力电子器件
发射橛E
伴随着关键技术的突破以及需求的增加,早期的小功
率、半控型、低坜器件发展为现在的超大功率、高频全控
栅极?G
器件。由于全控型器件可以控制开通和关断,从而大大提
高了开关控制的灵活性。从20世纪70年代后期开始,可
关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR或B」T)及其模
构道
P基区
P基区
电子
沟道体区
块相继实用化。在此后,各种高频率的全控型器件不断问
N基区
世,并得到迅速发展。这些器件主要有:电力场控晶体管
(即功率 MOSFET)、静电感应晶体管(SIT)、静电感
集电极C
应晶闻管(SITH)等,这些器件的产生和发展,已经形成
图1N沟道IGBT示意图
了ー个新型的全控电力电子器件的大家族。
(3)复合型器件一一第三代电力电子器件
目前,已经研制出的高功率沟槽栅结构IGBT( T rench
前两代电力电子器件中各种器件都有其本身的特1GBT)模块,是近几年来出现的高耐压大电流1GBT器件
点。近年来,又出现了兼有几种器件优点的复合器件。均采用的结构,它避免了大电流IGBT模块内部大量的电极
如:绝缘门极双极晶体管IGBT( Insulated Gate Bipolar引出线,提高了可靠性和臧小了引线电感,缺点是芯片面
T ransistor)。它实际上是 MOSFET驱动双极型晶体管,兼积利用率下降。所以这种平板压接结构的高压大电流IGBT
有 MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两者的优模块也可望成为高功率高电压变流器的优选功率器件。
点。它容量较大,开关速度快,易驱动,成为一种理想的
正式商用化的高压大电流IGBT器件至今尚未出现
电力电子器件
其电压和电流容量还很有限,远远不能满足电力电子应用
(4)模块化器件一一第四代电力电子器件
技术发展的需求,特别是在高压领域许多应用中,要求器
随着工艺水平的不断提高,实现了将许多零散拼装件的电压等级达到10kV以上。目前只能通过其它技术手
的器件组合在一起并且大规模生产,进而导致第四代电力段,比如依靠IGBT高压串联应用组件技术来实现它的高
电子器件的诞生。以功率集成电路PIC( Power Intergrated压应用。国外许多大的相关厂家都投入了大量的人力物力
Circuit)为代表,其不仅把主电路的器件,而且把驱动电开发研制新型高压IGBT器件。例如,瑞士ABB公司采
路以及具有过压过流保护,甚至温度自动控制等作用的电用软穿通原则研制出了高压8000V的IGBT器件。德国的
路都集成在一起,形成一个整体。
Eupec生产的6500V60OA高压大功率IGBT器件己经获得
实际应用。日本的东芝公司也投入到开发和研制新型高压
3电力电子器件的最新发展
IGBT器件的行列中。
现代电力电子器件仍然在向大功率、易驱动和高频化
方向发展。