功率器件技术与电源技术的现状和发展

功率器件技术与电源技术的现状和发展一半导体功率器件制造技术和电源技术的发展和创新电源技术与功率半导体器件制造技术互依互存共同发展从五十年代初晶闸管整流器问世就揭开了功率半导体器件制造技术和电源技术长足发展的序幕并奠定了现代电力电子学的基础电力电子技术包含了电力电子器件制造技术和电力电子线路与装置两大部分其中电力电子器件及其应用技术是基础电源和功率半导体器件是重要的基础科学和产业从人们的日常生活到工农业生产国防建设直至科学研究都离不开电源而功率半导体器件制造技术的发展又支持了电源技术的发展反之电源技术的发展又对功率半导体器件提出了更高的要求因此电源技术和半导体功率器件制造技术正是在这种相依相存的环境中逐步发展起来的半个世纪以来电源技术与半导体功率器件制造技术的发展不断创新经历了从真空闸流管真空三极管到半导二极管三极管晶闸管功率场效应晶体管MOSFET绝缘栅双极性晶体管栅控晶闸管等不同时代的新器件总之半导体功率器件正朝着高频大电流高电压栅控可关断方向发展功率器件的发展促进了电源技术的升级换代同样电源技术也正在朝着高频大容量模块化高稳定度高效率并能有效地抑制电网谐波和环境噪声污染方向发展未来可以相信在新理论新技术的引导下在新材料新器件的支持下电源和半导体功率器件将会进入更广阔的发展空间二半导体功率器件的应用和电源技术的发展随着科学技术和工业生产的发展对电源和功率器件的要求越来越高规格品种越来越多技术难度越来越大涉及的学术领域也越来越广工业电源应用的对象具有多样性新颖性和复杂性要求电源具备先进的控制技术和多种输出外特性1.中频感应加热电源晶闸管中频电源基本替代了传统的中频电动—发电机组广泛应用于热加工领域中频电源至今仍主要采用快速或高频晶闸管频率为300—8000HZ单机功率为25—4000KW中频电源主回路大致有三种形式见下图1中频电源主回路主要由整流桥和逆变桥组成整流桥大都采用6只普通晶闸管组成三相全控桥式整流电路该电路的电压调节范围大输出电压脉动频率较高可以减轻直流滤波环节的负担使输出电流更平稳另外它还可以工作在有源逆变状态当逆变桥颠覆时将贮存在滤波电抗器中的能量通过有源逆变方式返回网侧使逆变电路得到保护逆变桥的主要功能是把直流电转变成单相中频交流电逆变桥快速晶闸管关断时间的选择应根据逆变电路的频率而定不要盲目地追求短时间不要认为关断时间越短越好因为关断时间与正向压降是一对矛盾在电压型逆变电路中为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道逆变桥各桥臂都并联了反馈二极管或叫续流二极管续流二极管应根据设备的工作频率选择软恢复二极管或软快恢复二极管不要选择硬恢复二极管因硬恢复二极管的di/dt比软恢复二极管高过冲峰值电压高因此硬恢复二极管在关断过程中的电压过冲问题比较严重易损坏与之并联的晶闸管随着新型半导体功率器件的不断出现电力电子技术应用领域将会有新的变革中频感应加热领域也不例外――静电感应晶体管其关断时间典型值为.us应用于小功率高频率的整机整机工作频率可达――绝缘栅双极晶体管其典型关断时间只有.us整机功率可达但的正向压降较高所以在低频大功率电源应用中并不占优势――控制晶闸管其关断时间为.us正向压降低串并联容易无疑在未来这种器件会在中高频电源的逆变技术中发挥2其应有的作用.电化学和电热用电源电化学在工业上的应用水溶液电解制取金属如金银铜锌锡铅等水溶液电解制取非金属电解食盐水如氯氢等熔融盐电解制取金属如铝钛镁钠钾等电热化学制取非金属如黄磷石墨电极碳化钙等电热化学制取金属如铁,钢铁合金等表面电解加工与处理如电镀等界面电化学如电泳电渗析等电化学和电热用电源一般电流较大主回路采用双反星形带平衡电抗器同相逆并联结构或桥式同相逆并联结构每个支臂由多只大功率晶闸管或二极管并联元件的正向压降要接近但要特别注意机械结构与支路电感影响元件均流3.焊接电源焊接电源的主电路形式是随着电力电子及其他相关技术的发展而发展的大致经历了弧焊发电机磁放大器式硅整流焊接电源晶闸管整流焊接电源晶闸管逆变焊接电源晶体管逆变焊接电源和IGBT逆变焊接电源等阶段3.1弧焊发电机及磁放大器式硅整流电源弧焊发电机及磁放大器式硅整流电源其主电路使用的是弧焊发电机抽头式和磁放大式硅整流电源3.2晶闸管焊接电源晶闸管整流焊接电源其主电路采用了带平衡电抗器的六相双反星形可控整流电路和三相全控桥整流电路3开关移相式晶闸管焊接电源反并联晶闸管组或双向晶闸管工作于开关或移相状态以控制电焊机电流的大小和开通时间电容储能式晶闸管焊机该焊机的主回路分为充电回路和桥式放电回路,由全控桥或半控桥组成充电回路四只晶闸管组成桥式放电回路以防变压器磁化晶闸管焊接电源与弧焊发电机相比具有效率高噪声小动态性能好的特点与抽头式变压器硅整流电源相比焊接参数实现了无级调节可满足精度较高的焊接需要与磁放大器硅整流电源相比可节约大量的铜和硅钢材料主回路时间常数小动态性能好而且有利于各种控制方案的实现因此晶闸管焊接电源在焊接电源中占有很大比例晶闸管虽然有许多优点但也有其致命的缺点即晶闸管为半控元件控制电路只能控制其开通而不能控制其关断对三相全波整流电路或双反星形可控整流电路而言控制周期为3.3MS该时间与焊接熔滴过渡的周期在同一数量级上也就是说晶闸管整流焊接电源不可能很好地控制焊接的熔滴过渡逆变焊接4电源克服了整流焊接电源的这个缺点晶闸管逆变弧焊电源晶闸管逆变弧焊电源是昀早的一种逆变式弧焊电源其主电路是采用AC—DC—AC—DC系统工作频率可达3000HZ所以变压器的尺寸和重量都很小使其整机的重量只有同容量晶闸管整流焊机重量的三分之一且动态响应快焊接性能好高效节能但这种焊接电源受晶闸管关断时间的限制逆变频率不高同IGBT逆变焊接电源相比它的逆变器体积大一些特别是工作在音频段噪声也大一些IGBT逆变焊接电源IGBT是发展昀快而且很有前途的一种混合型可关断器件开关频率已达到10—30KHZ用在中大容量的逆变焊接电源中现在已逐渐成为主流4.电机用可控硅电源可控硅直流电源可用于发电机同步电动机直流电机的励磁近期已有用IGBT制作电机励磁系统该系统优于可控硅系统可控硅反并联组件用于电动机软起动装置电机频繁倒向开关装置主要用于轧钢生产线IGBT变频器用于电机的软起动和软停机在性能上优于晶闸管电动机软起动器但IGBT变频器的价格比晶闸管电动机软起动器的价格高得多因此在不需要大幅度调速的应用领域晶闸管电动机软起动器的性价比比IGBT变频器高晶闸管甚低频交—交变频用于线绕电机的进相提高电机的功率因数晶闸管直流不可逆传动系统主要用于造纸印刷等轻工业晶闸管直流可逆传动系统主要用于轧机龙门刨等晶闸管交流串级调速晶闸管直流牵引晶闸管斩波器用于线绕电机的启动调速5.电力操作电源电力操作电源是为发电厂水电站及变电站提供直流的电源设备即直流屏包括供给断路器分合闸及二次回路的仪器仪表继电保护控制应急灯光照明等各类低压电器设备用电6.动态静止无功补偿装置动态静止无功补偿装置在电压等级特别是高压无功补偿装置采用多只可控5硅串联装置容量上不断提高实现了全数字化计算机控制在电力补偿上得到了成功应用如晶闸管控制电抗器晶闸管投切电容器并取得了较大的经济效应和社会效应近年来出现的静止无功发生器有源电力滤波器等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿的性能7.大功率高电压直流电源大功率高电压直流电源广泛应用于环境保护的静电除尘污水处理电源技术在工业应用领域已取得了十分辉煌的成就功率器件制造技术是电源技术的基础电源是功率器件制造技术和现代控制技术的综合产物功率器件制造技术的每次重大进步都对电源技术的发展产生深远影响在80年代后期以绝缘栅极双极型晶体管IGBT为代表的复合型器件异军突起IGBT是MOSFETHE和BJT的复合它把MOSFET的驱动功率小开关速度快的优点和BJT通态压降低载流量大的优点集于一身,性能十分优越使之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的复合它们同样也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点是一种很理想的混合功率器件它们具有高电压大电流低通态压降高电流密度高输入阻抗低驱动功率和高开关速度等优点它们的诞生是大功率开关器件的一项重要突破就象几十年前晶闸管的出现迅速取代汞弧整流器和闸流管一样栅控可关断大功率元件的发展极有可能使晶闸管及其派生器件被淘汰或被局限在较窄的应用领域因此IGBTIGCT和MCT可能是当今功率器件中昀有发展前途的混合功率器件当今由于MTC受MTC的结构过于复杂对生产设备和材料的要求过高成品率太低等因素的制约使其生产和应用都陷入了停滞不前的状态尽管如此我们还是有理由相信它会在不久的将来随着科学技术的进步新材料和新工艺的出现而重现生机6