电力电子器件的应用

电力电子器件的应用

1器件发展及应用概述

电力电子器件（Power Electronic Device）又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率(通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)电子器件。又称功率电子器件。20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快，而在电力电子电路中得到广泛应用。70年代初期，已逐步取代了汞弧闸流管。80年代，普通晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向工作电压达数千伏。在此基础上，为适应电力电子技术发展的需要，又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件，以及单极型MOS 功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。

各种电力电子器件均具有导通和阻断两种工作特性。功率二极管是二端(阴极和阳极)器件，其器件电流由伏安特性决定，除了改变加在二端间的电压外，无法控制其阳极电流，故称不可控器件。普通晶闸管是三端器件，其门极信号能控制元件的导通，但不能控制其关断，称半控型器件。可关断晶闸管、功率晶体管等器件，其门极信号既能控制器件的导通，又能控制其关断，称全控型器件。后两类器件控制灵活，电路简单，开关速度快，广泛应用于整流、逆变、斩波电路中，是电动机调速、发电机励磁、感应加热、电镀、电解电源、直接输电等电力电子装置中的核心部件。这

些器件构成装置不仅体积小、工作可靠，而且节能效果十分明显(一般可节电10%～40%)。

单个电力电子器件能承受的正、反向电压是一定的，能通过的电流大小也是一定的。因此，由单个电力电子器件组成的电力电子装置容量受到限制。所以，在实用中多用几个电力电子器件串联或并联形成组件，其耐压和通流的能力可以成倍地提高，从而可极大地增加电力电子装置的容量。器件串联时，希望各元件能承受同样的正、反向电压；并联时则希望各元件能分担同样的电流。但由于器件的个异性，串、并联时，各器件并不能完全均匀地分担电压和电流。所以，在电力电子器件串联时，要采取均压措施；在并联时，要采取均流措施。

电力电子器件工作时，会因功率损耗引起器件发热、升温。器件温度过高将缩短寿命，甚至烧毁，这是限制电力电子器件电流、电压容量的主要原因。为此，必须考虑器件的冷却问题。常用冷却方式有自冷式、风冷式、液冷式(包括油冷式、水冷式)和蒸发冷却式等。

电力电子器件的分类：

电力电子器件分类：可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶闸管为半控型器件，承受电压和电流容量在所有器件中最高；电力二极管为不可控器件，结构和原理简单，工作可靠；还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其中GTO、GTR为电流驱动型器件，IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。

IGBT优点：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点：开关速度

低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTO

GTR优点：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题。

GTO优点：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺点：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低电力MOSFET优点：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题；缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。制约因素：耐压，电流容量，开关的速度。下面重点讨论晶闸管的应用。

我国六十年代初也试制出了硅整流器和普通晶闸管，并在全国很快掀起了应用的热潮,表1为九十年代国内外电力电子器件水平。

表1国内外电力半导体器件水平

类别应用范围器件名称国外水平国内水平

晶闸管低频

普通晶闸管3500A/6500V2500A/5000V

光触发晶闸管3000A/4500V1000A/4000V

双向晶闸管600A/2400V1000A/2000V 中频快速晶闸管1500A/2500V1800A/1800V/30µs

晶闸管低频普通晶闸管4000A/6500V4000A/5000V 快速

可关断晶闸管

4000A/8000V

6000A/6000V

2500A/4500V 光触发晶闸管3000A/4500V1000A/4000V 高频静电感应晶闸管SITH2500A/4500V10A/600V

晶

体管100KHz

双极型功率晶体管GTR6000A/1200V

功率场效应管MOSFET300A/1200V3A/450V

MOS复合

管高频隔离门极双极型晶体管IGBT

600A/1200V

1000A/1000V

400A/1200V

MOS控制晶闸管MCT 300A/2000V 1000A/1000V

功率集成

低频高压电力IC20A/1200V300A 高频功率电力IC100A/500V400A 小功率变

换器

智能功率模块PIC100A/1000V

由于晶闸管开关速度高、时间常数小、控制功率小等优点，用晶闸管来组成各种电控装置成为设计者的热衷。从宝钢一期工程来看，引进的电控装置也无例外的大量采用了国外七十年代末期的硅整流和晶闸管电能变换装置。随着宝钢二、三期工程建设，电力电子器件应用发生了转折性变化，曾一度还流传着晶闸管会被现代电力电子器件完全替代的说法。根据对宝钢一、二、三期工程应用电力电子器件的情况分析表明，晶闸管在大容量电能变换方面仍占有优势，而中小容量电能变换方面则形成了以现代电力电子器件为主的格局。

传统的电力电子器件主要是指不控器件及半控器件，即二极管和晶闸管类器件。而现代电力电子器件主要是指全控器件及智能器件。

传统的电力电子器件目前基本上处于发展停滞期，由于这类器件的应用，对关键设备用技术成熟，器件本身的可靠性高。所以，传统电力电子器件的应用仍占有相当部分市场。如宝钢的一期单元设备的技术改造中，一些引进装备依然采用了相当比例的晶闸管类电能变换装置，随着器件性能的老化晶闸管器件还进行了本土化开发。比如：条钢厂初轧机用4000V/800A晶闸管、电炉整流器用2500V/3200A晶闸管等。钢管分公司还对国外已不生产的快速晶闸管成功的实现了国产品替代，而炼钢厂、炼铁厂等单元还将国内开发的晶闸管应用于有特殊要求的等离子装置及