绪论电力电子器件发展概况与应用现状

现代电力电子器件参考书目：1.电力电子技术（5），机工版，王兆安等，2010.2.电力电子器件及其应用，机工版，李序葆等，2002.3.现代电力电子器件原理与应用技术，机工版，徐德鸿，2010.4.IGBT驱动与保护电路设计及应用电路实例，机工版，周志敏，2011。电力电子器件发展概况及应用现状一.发展概况电力电子技术包括电力半导体器件与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“龙头”。1957年美国通用电气(GE)公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管，标志着电力电子技术的诞生。60~70年代，晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的系列产品。同时，非对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世，广泛应用于各种变流装置。由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响应快等优点，其研制及应用得到了飞速发展。由于普通晶闸管不能自关断，属于半控型器件，因而后来被称作第一代电力电子器件。随着理论研究和工艺水平的不断提高，70年代中期，先后出现了GTR、GTO、功率MOSET等自关断、全控型器件，被称为第二代电力电子器件。自80年代中期，开发出的IGBT、MCT，90年代中期出现的IGCT等复合型器件，被称为第三代电力电子器件。自90年代出现的功率集成电路、功率集成模块，被称为第四代电力电子器件，代表着电力电子的发展方向。电力整流管整流管产生于40年代，结构最简单、使用最广泛。类型：普通整流管、快恢复整流管、肖特基整流管普通整流管：漏电流小、通态压降较低(1.0～1.8V)、反向恢复时间较长(几十微秒)、电压和电流定额很高。应用于牵引、充电、电镀等，转换速度要求不高的装置中。快恢复整流管：较快的反向恢复时间(几百纳秒至几微秒)，但通态压降很高(1.6～4.0V)。用于斩波、逆变等电路中充当旁路二极管或阻塞二极管。肖特基整流管：兼有快的反向恢复时间(几微秒以下)和低的通态压降(0.3～0.6V)的优点，不过其漏电流较大、耐压能力低，常用于高频低压仪表和开关电源。目前的研制水平为:普通整流管：8000V/5000A/400Hz快恢复整流管：6000V/1200A/1000Hz肖特基整流管：1000V/100A/200kHz普通晶闸管及其派生器件1957年晶闸管诞生后，其结构的改进和工艺的改革，为新器件的不断出现提供了条件。1964年，双向晶闸管在GE公司开发成功，用于调光和马达控制；1965年，小功率光触发晶闸管出现；1974年，逆导晶闸管和非对称晶闸管研制完成。普通晶闸管广泛应用于交直流调速、调光、调温等低频(400Hz以下)领域。晶闸管装置的运行会产生波形畸变和降低功率因数、影响电网的质量。目前水平为12kV/1kA和8000V/4000A。光触发晶闸管8000V/4000A和6000V/6000A.门极可关断晶闸管（GTO）1964年，美国第一次试制成功了500V/10A的GTO。在此后的近10年内，GTO的容量一直停留在较小水平，只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中应用。自70年代中期开始，GTO的研制取得突破，相继出现了大功率产品。目前水平已达9kV/10kA/800Hz、6500V/6kA/1kHz。GTO有对称、非对称和逆导三种类型。与对称GTO相比，非对称GTO通态压降小、抗浪涌电流能力强、易于提高耐压能力(3000Ｖ以上)。优点：在当前各种自关断器件中，GTO容量最大、但工作频率最低(1~2kHz)。缺点：GTO是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流；GTO通态压降大、dv/dt及di/dt耐量低，需要庞大的吸收电路。•目前，GTO虽然在低于2000V的某些领域内已被GTR和IGBT等所替代，但它在大功率电力牵引中有明显优势；今后，它还会在高压领域占有一席之地。功率晶体管（GTR）电流控制的双极型电力电子器件，产生于20世纪70年代.其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400V/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。优点：既具备晶体管的固有特性，又增大了功率容量，因此组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短。缺点：驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。应用：在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。电力晶体管(GTR)功率MOSFET电压控制型单极晶体管，通过栅极电压来控制漏极电流，产生于20世纪70年代中期。优点：驱动电路简单、驱动功率小；仅由多数载流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达100kHz以上。没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。缺点：电流容量小、耐压低、通态压降大，不适用于大功率装置。应用：最适合于开关电源、高频感应加热等高频场合；目前制造水平：1kV/2A/2MHz、60V/200A/2MHz。电力场效应晶体管（PowerMOSFET）绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）IGBT是由美国GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，当时容量仅500V/20A。1986年开始正式生产。90年代初，完成第二代产品。90年代末，第三代智能IGBT出现。现正在研究并完善第四代沟槽栅结构的IGBT。IGBT可视为GTR与MOSFET的复合。优点：IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身。它为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。比较而言，IGBT的开关速度低于功率MOSFET，却明显高于GTR；IGBT的通态压降同GTR相近，但比MOSFET低得多；IGBT的电流、电压等级超过GTR，比MOSFET高很多。研制水平：5000V/3000A(单管)，1200V/3300A(模块)应用：IGBT在中等功率容量(600V以上)的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中，IGBT已逐步替代GTR成为核心元件（中、大容量）。另外，IR公司已设计出开关频率高达150kHz的WARP系列400～600VIGBT，其开关特性与功率MOSFET接近，而导通损耗却比功率MOSFET低得多。该系列IGBT有望在高频150kHz整流器中取代功率MOSFET，并大大降低开关损耗。a)IGBT单管外观b)IGBT模块外观MOS控制晶闸管(MCT)MCT最早由美国GE公司研制，是由MOSFET与晶闸管复合而成的新型器件。每个MCT器件由成千上万的MCT元组成，而每个元是由一个PNPN晶闸管、一个控制导通的MOSFET和一个控制关断的MOSFET组成。MCT工作于超擎住状态，是一个真正的PNPN器件，这正是其通态电阻远低于其它场效应器件的最主要原因。优点：MCT既具备功率MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是IGBT或GTR的1/3，而开关速度则超过GTR。由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面积通断，故MCT具有很强的导通di/dt和阻断dv/dt能力，其值高达2000A/μs和2000V/μs。其工作结温亦高达150～200℃。已研制出阻断电压达4000V的MCT，75A/1000VMCT已应用于串联谐振变换器。随着性能价格比的不断优化，MCT将逐渐走入应用领域并有可能取代高压GTO，与IGBT的竞争亦将在中功率领域展开。IGCT：集成门极换流晶闸管IGCT(IntergratedGateCommutatedThyristors)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。瑞典的ABB公司于90年代中期推出。IGCT是将GTO芯片与反并联二极管集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。图IGCT的外形结构优点：IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点，而且制造成本低，成品率高，有很好的应用前景。采用晶闸管技术的IGCT是大功率开关器件，相对于采用晶体管技术的IGBT在截止电压、通态电压上有更高的性能。目前已经达到6000V/5000A的水平。在大功率MCT技术尚未成熟以前，IGCT已经成为高压大功率低频交流器的优选方案。IEGT：电子注入增强栅晶体管IEGT(InjectionEnhancedGateTransistor)是耐压达4KV以上的IGBT系列电力电子器件。日本东芝开发。采取增强注入的结构实现了低通态电压。IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点，在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。IECT利用了“电子注入增强效应”，使之兼有IGBT和GTO两者的优点：低饱和压降，宽安全工作区(吸收回路容量仅为GTO的1/10左右)，低栅极驱动功率(比GTO低两个数量级)和较高的工作频率。可靠性高，性能已经达到4.5KV/1500A的水平。图1-19IEGT的外观功率集成电路（PIC）PIC是电力电子器件技术与微电子技术相结合的产物，是机电一体化的关键接口元件。将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，就制成了PIC。一般认为，PIC的额定功率应大于1W。功率集成电路还可以分为高压功率集成电路(HVIC)、智能功率集成电路(SPIC)和智能功率模块(IPEM)。高压功率集成电路(HVIC)HVIC是多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路在单片上的集成，由于它的功率器件是横向的、电流容量较小，而控制电路的电流密度较大。常用于小型电机驱动、平板显示驱动及长途电话通信电路等高电压、小电流场合。已有110V/13A、550V/0.5A、80V/2A/200kHz、500V/600mA智能功率集成电路(SPIC)SPIC是由一个或几个纵型结构的功率器件与控制和保护电路集成而成。电流容量大而耐压能力差，适合作为电机驱动、汽车功率开关及调压器等。图1-27一种功率集成电路PIC的外形和内部结构原理IPEM：集成电力电子模块IPEM(IntergratedPowerElactronicsModules)是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。它首先将半导体器件MOSFET、IGBT等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迭装到开孔的陶瓷衬底上，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个薄绝缘层上。IPEM实现了电力电子技术的智能化和模块化，大大降低了电路接线电感、系统噪声和寄生振荡，提高了系统效率及可靠性。图一种采用栅阵列构成的集成电力电子模块PEBB：电力电子积木PEBB(PowerElectricBuildingBlock)是在IPEM的基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。虽然它看起来很像功率半导体模块，但PEBB除了包括功率半导体器件外，还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。PEBB最重要的特点就是----通用性。PEBB有能量接口和通讯接口。通过这两种接口，几个PEBB可以组成电力电子系统，这些系统可以像小型的DC-DC转换器一样简单，也可以像大型的分布式电力系统那样复杂。一个系统中PEBB的数量可以从一个到任何多个。多个PEBB模块一起工作可以完成电