电力电子器件的发展分析

电力电子技术课程论文
电力电子器件的发展分析
摘要：电力电子器件发展至今已有近60年的历史，本文简单介绍了电力电子器件的发展历程，然后对IGCT、 IGBT、MCT等新型电力电子器件的发展状况及其优缺点进行了分析，最后, 展望了电力电子器件的未来发展。

关键字：电力电子器件；IGCT；ICBT；MCT；
1、引言
电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中，电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“机车”。

电力电子器件的发展时间并不长，但是至今已经发展出多个种类的产品，其中最早为人们所应用的是普通晶闸管，普通晶闸管是由美国通用电气公司在1958年时研制并投产的，它为之后的电力电子器件发展奠定了基础，在1964年时，美国公司又成功研制了可关断的GT0；到了二十世纪七十年代，电力电子器件的研究有了又一成果——GTR系列产品，二十世纪八九十年代，以功率M0SFET和IGBT为代表的，集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，标志着传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

2、电力电子器件发展史
电力电子器件又称作开关器件，相当于信号电路中的A-D采样，称之为功率采样，器件的工作过程就是能量过渡过程，其可靠性决定了装置和系统的可靠性。

根据可控程度以及构造特点等因素可以把电力电子器件分成四类：
(1)半控型器件——第一代电力电子器件
2O世纪5O年代，由美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电子技术的开端。

到了2O世纪7O年代，已经派生出了许多半控型器件，这些电力电子器件的功率也越来越大，性能日渐完善，但是由于晶闸管的固有特性，大大限制了它的应用范围。

(2)全控型器件一一第二代电力电子器件
从2O世纪7O年代后期开始，可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR或BJT)及其模块相继实用化。

此后，各种高频率的全控型器件不断问世，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)、静电感应晶闸管(SITH)等，这些器件的产生和发展，已经形成了一个新型的全控电力电子器件的大家族。

(3)复合型器件——第三代电力电子器件
前两代电力电子器件中各种器件都有其本身的特点。

近年来，又出现了兼有几种器件优点的复合器件。

如：绝缘门极双极晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)。

它实际上是MOSFET驱动双极型晶体管，兼有M0sFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两者的优点。

它容量较大、开关速度快、易驱动，成为一种理想的电力电子器件。

(4)模块化器件——第四代电力电子器件
随着工艺水平的不断提高，可以将许多零散拼装的器件组合在一起并且大规模生产，进而导致第四代电力电子器件的诞生。

以功率集成电路PIC(Power Intergrated Circuit)为代表，其不仅把主电路的器件，而且把驱动电路以及具有过压过流保护，甚至温度自动控制等作用的电路都集成在一起，形成一个整体。

3、电力电子器件的最新发展
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。

其中，电力电子模块化是电力电子器件向高功率密度发展的重要一步。

下面介绍几种新型电力电子器件：
3.1 IGCT
IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件[1]。

它是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，它是结合了晶体管和晶闸管两种器件的优点，即晶体管的稳定的关断能力和晶闸管的低通态损耗的一种新型器件。

IGCT在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈类似晶体管的特性。

IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低的特点。

此外,IGCT还像GT0一样，具有制造成本低和成品率高的特点，有极好的应用前景。

采用晶闸管技术的GT0是常用的大功率开关器件，它相对于采用晶体管技术的IGBT在截止电压上有更高的性能，但广泛应用的标准GTO驱动技术造成不
均匀的开通和关断过程，需要高成本的dv/dt和di/dt吸收电路和较大功率的门极驱动单元，因而造成可靠性下降和价格较高的缺点。

3.2 IGBT
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种MOS栅控的双极晶体管。

自1985年IGBT进入实际应用以来．IGBT已经成为功率晶导体器件的主流，在10—100kHz的中压、中电流应用范围占有十分重要的地位。

IGBT及其模块(包括IPMs)已经涵盖了600 V—6．6 kV的电压和(I-3500)A的电流范围．应用IGBT 模块的100MW级的逆变器也已有商品问世。

IGBT常常封装成模块形式。

一个IGBT模块实际包含很多的IGBT芯片，这些并联的lGBT裸芯片固定在同一块陶瓷衬底上以保证良好的绝缘和导热，这类模块可以很容易地安装在散热器上。

但是，这种封装结构限制了lGBT模块只能采取单面冷却，由此，进一步发展了陶瓷封装的双面制冷模块．这样可以在中压大功率应用中提供与圆盘形密封、双面压接的晶闸管和GTO一样的可靠性。

IGBT的开通和关断可以通过门极驱动实现，它相对比较容易驱动且具有低的门极驱动功率[2]。

IGBT的最大优点是它无需缓冲电路就能工作，并具有限制短路电流的能力。

虽然高功率的IGBT模块具有一些优良的特性，例如：能实现di/dt和dv／dt的有源控制、易于实现短路电流的保护和有源保护等。

但是，高的导通损耗、低的硅有效面积利用率、损坏后会造成开路等缺点局限了高功率IGBT模块在高功率变流器中的实际应用。

3.3 MCT
MCT是由功率MOSFET与普通晶闸管(Thyristor)组合而成的复合器件，它充分利用了Thyristor良好的通态特性和功率MOSFET高输入阻抗、快开关速度之优点，用MOSFET来控制Thyristor的开通和关断，使之具有优良的动态特性和通态特性，及较高的导通di/dt和阻断dv/dt能力。

最新提出的一种MCT结构是DC—EST(Dualchannel Emitter Switched Thyristor)[3]，它是在常规IGBT结构的基础上派生而来的，于是形成一个新的MOS控制晶闸管。

该结构有较宽的FBSOA，并可较好的折衷通态压降与功耗之间的关系。

但由于其中Thyristor电流会流过串联的MOSFET，使压降仍高于Thyristor的压降。

为了确保FBSOA，进一步改善功耗与通态压降之的关系，提出的另一种新结构为DG-BRT，它既可按Thyristor模式工作，又可按IGBT模式工作。

目前，采用与VLSI相容的设计规则已研制出2kV的DG—BRT器件191，其中采用了250A的栅极氧化层来减小P基区电阻，通态压降为2V，约为常规IGBT 的1／2。

在现有的MCT结构中，以DG—BRT的特性为最佳。

3.4 IPEM——集成电力电子模块
IPEM(Intergrated Power Elactronics Modules)[4]已经不是传统意义上的电力电子器件的概念，它是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。

它的组成过程如下：首先将半导体器件MOSFET、IGBT或MCT与二极管的芯片封装在一起组成一个积木单元，然后将这些积木单元叠装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上，在它的下面依次是铜基板、氧化铍瓷片和散热片。

在积木
单元的上部则通过表面贴装将控制电路、门极驱动、电流和温度传感器以及保护电路集成在一薄层绝缘层上。

IPEM实现了电力电子技术的智能化和模块化，并大大降低了电路接线电感，提高了系统的效率。

进一步提高了可靠性，降低了系统的噪音和寄生振荡。

4、电力电子器件的发展趋势
随着电力电子装置不断向大功率、高频化等方向发展，市场对新型器件的供不应求，以及VLSI技术为新型器件的发展提供的微细加工技术，可以预测，现代电力电子器件未来发展趋势是：
(l) 各种电力电子器件用驱动器将取长补短,共同存在一个时期, 其存在时间的长短和使用量的多少,取决于被驱动电力电子器件在电力电子器件领域中的兴衰与消亡。

(2 ) 各种电力电子器件驱动器将高频化、模块化、系列化、智能化, 其驱动全控型功率器件的容量有望进一步扩大, 频率进一步提高。

(3 ) 新材料将在电力电子器件驱动器中获得应用。

新型材料砷化稼(GaAs)、稼铝砷(GaAlAs)、碳化硅和金刚石等将成为全控型电力电子器件驱动器生产的选用材料。

它们的使用将极大地缩小电力电子器件驱动器的尺寸, 并提高其工作频率和效率。

(4 ) 各种电力电子器件驱动器单独使用量将逐步缩小, 它在智能功率集成电路、高压集成电路中与电力电子器件共同使用的数量会越来越多。

(5 ) 各种电力电子器件驱动器的工作电源将日益简化, 其消耗功率将下降。

先进技术将极大地简化电力电子器件驱动器的工作电源结构。

参考文献：
[1]钱照明、何湘宁电力电子技术最新发展(一) 中国电机工程学报．1997.6
[2]杨旭、裴云霞、王兆安开关电源技术机械工业出版社，2004.2
[3]王彩琳、高勇新型电力电子器件及其进展 2003 .11
[4]李现兵、牛忠霞、张峰、黄娟现代电力电子器件 2006.8。