现代电力电子综述

J I A N G S U U N I V E R S I T Y 现代电力电子技术发展与应用

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2015年11月

摘要：电力电子学是一门新兴的科学，电力电子技术是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。而功率器件是电力电子技术的核心和基础，其应用是电力电子技术发展的驱动力。文章介绍了电力电子器件的发展过程，说明电力电子器件的最新发展情况及未来的发展趋势，同时介绍了电力电子技术在各个领域的应用情况并展望电力电子技术的未来发展方向。

关键词：电力电子技术；电力电子器件；应用展望

0 引言

电力电子技术就是使用电力半导体器件对电能进行变换和控制的技术，它是综合了电子技术、控制技术和电力技术而发展起来的应用性很强的新兴学科。随着经济技术水平的不断提高，电能的应用已经普及到社会生产和生活的方方面面，现代电力电子技术无论对传统工业的改造还是对高新技术产业的发展都有着至关重要的作用，它涉及的应用领域包括国民经济的各个工业部门。毫无疑问，电力电子技术将成为21世纪的重要关键技术之一。

分析当前电力电子技术的发展趋势，其大致方向表现为由传统低频技术处理向现代高频技术转换，并逐渐取代传统的电力电子器件整合时代。现代电力电子技术应用领域广泛，开关电源、输电技术、发电系统，随处可见电力电子技术的身影。上世纪九十年代初以功率半导体复合器件为象征的现代电力电子体系逐渐形成，对于人们的工作和生活产生了重大影响。本文从电力电子技术的发展历程和应用展望等方面分析了现代电力电子技术的发展趋势，体现了电力电子技术的发展与当前时代发展特征的融合。

1 电力电子技术的发展

电力电子技术包含电力电子器件制造技术和变流技术两个分支，电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，电力

电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。

1）半控型器件（第一代电力电子器件）。上世纪50年代，美国通用电气公司发明了世界上第一只硅晶闸管(SCR)，标志着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，并产生了各种晶闸管派生器件，如快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。但是，晶闸管作为半控型器件，只能通过门极控制器开通，不能控制其关断，要关断器件必须通过强迫换相电路，从而使整个装置体积增加，复杂程度提高，效率降低。另外，晶闸管为双极型器件，有少子存储效应，所以工作频率低，一般低于400 Hz。由于以上这些原因，使得晶闸管的应用受到很大限制。

2）全控型器件（第二代电力电气器件）。随着半导体技术的不断突破及实际需求的发展，从上世纪70年代后期开始，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展[1]。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。此外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路。这些优点使电力电子技术的面貌焕然一新，把电力电子技术推进到一个新的发展阶段。

3）电力电子器件的新发展。为了解决MOSFET在高压下存在的导通电阻大的问题，RCA公司和GE公司于1982年开发出了绝缘栅双极晶体管（IGBT）,并于1986年开始正式生产并逐渐系列化。IGBT是MOSFET和BJT的复合，它把MOSFET驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，使之很快成为现代电力电子技术的主导器件。与IGBT相对应，MOS控制晶闸管(MCT)和集成门极换流晶闸管（IGCT）都是MOSFET 和GTO的复合，它们都综合了MOSFET和GTO两种器件的特点。

为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式，给应用带来了很大的方便。后来，又把驱动、控制、保护电路和功率器件

集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。功率集成电路代表了电力电子技术的一个重要发展方向。近年来，在高压硅器件领域，世界各国的研究者关注的重点是利用新结构、新工艺去突破极限，挖掘潜力，努力推进各类器件性能的进一步改善，包括在获得合理通态电阻的前提下研制耐压更高的超结器件。

4）基于新型材料的电力电子器件。从晶闸管问世到各种高性能IGBT的出现，电力电子器件经过几十年的发展基本上都表现为对器件结构原理和制造工艺的改进和创新，在材料的应用上始终没有突破硅的围。随着硅材料和硅工艺的日趋完善，各种硅器件的性能逐步趋于其理论极限。而现代电力电子技术的发展却不断对电力电子器件的性能提出了更高的要求，尤其是希望器件的功率和频率得到更高程度的兼顾。因此，越来越多的电力电子器件研究工作转向了对应用新型半导体材料制造新型电力电子器件的研究。结果表明，就电力电子器件而言，硅材料并不是最理想的材料，比较理想的材料应当是临界雪崩击穿电场强度、载流子饱和漂移速度和热导率都比较高的宽禁带半导体材料，这种材料比较典型的有砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)等。目前，随着这些材料的制造技术和加工工艺日渐成熟，使用宽禁带半导体材料制造性能更加优越的电力电子新器件已成为可能[2]。21世纪初，碳化硅肖特基势垒二极管(SBD)首先揭开了碳化硅器件在电力电子领域替代硅器件的序幕。随后，高耐温、高耐压的碳化硅场效应器件、碳化硅IGBT、碳化硅双极型器件纷纷出现，预示着不远的将来集高电压、大电流、高工作频率等优点于一身的新型器件即将诞生。

2 常用电力电子器件简介

⑴绝缘栅双极晶体管(IGBT)

IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载