現代電力電子器件的發展與現狀

電力電子器件的回顧

電力電子器件又稱作開關器件，相當于信號電路中的a/d采樣，稱之為功率采樣，器件的工作過程就是能量過渡過程，其可靠性決定了系統的可靠性。根據可控程度可以把電力電子器件分成兩類：

半控型器件——第一代電力電子器件

上個世紀50年代，美國通用電氣公司發明的硅晶閘管的問世，標志著電力電子技術的開端。此后，晶閘管(scr)的派生器件越來越多，到了70年代，已經派生了快速晶閘管、逆導晶閘管、雙向晶閘管、不對稱晶閘管等半控型器件，功率越來越大，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），大大限制了它的應用。此外，關斷這些器件，需要強迫換相電路，使得整體重量和體積增大、效率和可靠性降低。目前，國內生產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

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

電力電子器件的最新發展

現代電力電子器件仍然在向大功率、易驅動和高頻化方向發展。電力電子模塊化是其向高功率密度發展的重要一步。當前電力電子器件的主要發展成果如下：

igbt：絕緣柵雙極晶體管

igbt(insulated gate bipolar transistor)是一種n溝道增強型場控(電壓)復合器件，如圖1所示。它屬于少子器件類，兼有功率mosfet和雙極性器件的優點：輸入阻抗高、開關速度快、安全工作區寬、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的高壓變流系統中。

目前，已研制出的高功率溝槽柵結構igbt(trench igbt)是高耐壓大電流igbt器件通常采用的結構，它避免了模塊內部大量的電極引線，減小了引線電感，提高了可靠性。其缺點是芯片面積利用率下降。這種平板壓接結構的高壓大電流igbt模塊將在高壓、大功率變流器中獲得廣泛應用。

mct：mos控制晶閘管

mct(mos-controlled thyristor)是一種新型mos與雙極復合型器件，如圖2所示。它采用集成電路工藝，在普通晶閘管結構中制作大量mos器件，通過mos器件的通斷來控制晶閘管的導通與關斷。mct既具有晶閘管良好的關斷和導通特性，又具備mos場效應管輸入阻抗高、驅動功率低和開關速度快的優點，克服了晶閘管速度慢、不能自關斷和高壓mos場效應管導通壓降大的不足。所以mct被認為是很有發展前途的新型功率器件。mct器件的最大可關斷電流已達到300a，最高阻斷電壓為3kv，可關斷電流密度為325a/cm2，且已試制出由12個mct并聯組成的模塊。

igct：集成門極換流晶閘管

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體器件。igct使變流裝置在功率、可靠性、開關速度、效率、成本、重量和體積等方面都取得了巨大進展，給電力電子成套裝置帶來了新的飛躍。igct是將gto芯片與反并聯二極管和門極驅動電路集成在一起，再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接，結合了晶體管的穩定關斷能力和晶閘管低通態損耗的優點，在導通階段發揮晶閘管的性能，關斷階段呈現晶體管的特性。igct具有電流大、電壓高、開關頻率高、可靠性高、結構緊湊、損耗低等特點，而且造成本低，成品率高，有很好的應用前景。

采用晶閘管技術的gto是常用的大功率開關器件，它相對于采用晶體管技術的igbt在截止電壓上有更高的性能，但廣泛應用的標準gto驅動技術造成不均勻的開通和關斷過程，需要高成本的dv/dt和di/dt吸收電路和較大功率的門極驅動單元，因而造成可靠性下降，價格較高，也不利于串聯。但是，在大功率mct技術尚未成熟以前，igct已經成為高壓大功率低頻交流器的優選方案。

在國外，瑞典的abb公司已經推出比較成熟的高壓大容量igct產品。在國內，由于價格等因素，目前只有包括清華大學在內的少數幾家科研機構在自己開發的電力電子裝置中應用了igct。

iegt：電子注入增強柵晶體管

iegt(injection enhanced gate transistor)是耐壓達4kv以上的igbt系列電力電子器件，通過采取增強注入的結構實現了低通態電壓，使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發展。 iegt具有作為mos系列電力電子器件的潛在發展前景，具有低損耗、高速動作、高耐壓、有源柵驅動智能化等特點，以及采用溝槽結構和多芯片并聯而自均流的特性，使其在進一步擴大電流容量方面頗具潛力。另外，通過模塊封裝方式還可提供眾多派生產品，在大、中容量變換器應用中被寄予厚望。

日本東芝開發的iect利用了“電子注入增強效應”，使之兼有igbt和gto兩者的優點：低飽和壓降，寬安全工作區(吸收回路容量僅為gto的1/10左右)，低柵極驅動功率(比gto低兩個數量級)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構，可靠性高，性能已經達到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。它首先將半導體器件mosfet、igbt或mct與二極管的芯片封裝在一起組成一個積木單元，然后將這些積木單元迭裝到開孔的高電導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，則通過表面貼裝將控制電路、門極驅動、電流和溫度傳感器以及保護電路集成在一個薄絕緣層上，如圖4所示。ipem實現了電力電子技術的智能化和模塊化，大大降低了電路接線電感、系統噪聲和寄生振蕩，提高了系統效率及可靠性。

pebb(power electric building block)是在ipem的基礎上發展起來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體器件，它是依照最優的電路結構和系統結構設計的不同器件和技術的集成。典型的pebb如圖5所示。雖然它看起來很像功率半導體模塊，但pebb除了包括功率半導體器件外，還包括門極驅動電路、電平轉換、傳感器、保護電路、電源和無源器件。

基于新型材料的電力電子器件

sic（碳化硅）是目前發展最成熟的寬禁帶半導體材料，可制作出性能更加優異的高溫(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等設備的節能具有重要意義。silicon（硅）基器件在今后的發展空間已經相對窄小，目前研究的方向是sic等下一代半導體材料。采用sic的新器件將在今后5～10年內出現，并將對半導體材料產生革命性的影響。用這種材料制成的功率器件，性能指標比砷化鎵器件還要高一個數量級。碳化硅與其他半導體材料相比，具有下列優異的物理特點: 高禁帶寬度、高飽和電子漂移速度、高擊穿強度、低介電常數和高熱導率。上述這些優異的物理特性,決定了碳化硅在高溫、高頻率、高功率的應用場合是極為理想的材料。在同樣的耐壓和電流條件下，sic器件的漂移區電阻要比硅低200倍，即使高耐壓的 sic場效應管的導通壓降，也比單極型、雙極型硅器件低得多。而且，sic器件的開關時間可達10ns級。

sic可以用來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公司研發成功，并應用于微波和射頻裝置；美國通用電氣公司正在開發sic功率器件和高溫器件；西屋公司已經制造出了在26ghz頻率下工作的甚高頻mesfet；abb公司正在研制用于工業和電力系統的高壓、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器件的研發將成為未來的一個主要趨勢。但在sic材料和功率器件的機理、理論和制造工藝等方面，還有大量問題有待解決，sic要真正引領電力電子技術領域的又一次革命，估計至少還要十幾年的時間。

小 結

電力電子器件正進入以新型器件為主的新時代，作為電力電子技術發展的決定性因素，電力電子器件的研發及關鍵技術突破，必然會促進電力電子技術的迅速發展，進而促進以電力電子技術為基礎的傳統工業和高新技術產業的迅速發展。