現(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展與現(xiàn)狀

1、現(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展與現(xiàn)狀解放軍信息工程大學(xué) 李現(xiàn)兵 師宇杰 王廣州 黃娟電力電子器件的回顧 電力電子器件又稱作開關(guān)器件，相當(dāng)于信號(hào)電路中的A/D采樣，稱之為功率采樣，器件的工作過程就是能量過渡過程，其可靠性決定了系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)可控程度可以把電力電子器件分成兩類：半控型器件第一代電力電子器件上個(gè)世紀(jì)50年代，美國(guó)通用電氣公司發(fā)明的硅晶閘管的問世，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的開端。此后，晶閘管(SCR)的派生器件越來越多，到了70年代，已經(jīng)派生了快速晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、不對(duì)稱晶閘管等半控型器件，功率越來越大，性能日益完善。但是由于晶閘管本身工作頻率較低（一般低于400Hz），大大限制了

2、它的應(yīng)用。此外，關(guān)斷這些器件，需要強(qiáng)迫換相電路，使得整體重量和體積增大、效率和可靠性降低。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電力電子器件仍以晶閘管為主。 全控型器件第二代電力電子器件隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破以及需求的發(fā)展，早期的小功率、低頻、半控型器件發(fā)展到了現(xiàn)在的超大功率、高頻、全控型器件。由于全控型器件可以控制開通和關(guān)斷，大大提高了開關(guān)控制的靈活性。自70年代后期以來，可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力晶體管(GTR或BJT)及其模塊相繼實(shí)用化。此后各種高頻全控型器件不斷問世，并得到迅速發(fā)展。這些器件主要有電力場(chǎng)控晶體管(即功率MOSFET)、絕緣柵極雙極晶體管(IGT或IGBT)、靜電感應(yīng)晶體管(SIT)和靜電感應(yīng)晶

3、閘管(SITH)等。電力電子器件的最新發(fā)展現(xiàn)代電力電子器件仍然在向大功率、易驅(qū)動(dòng)和高頻化方向發(fā)展。電力電子模塊化是其向高功率密度發(fā)展的重要一步。當(dāng)前電力電子器件的主要發(fā)展成果如下：IGBT：絕緣柵雙極晶體管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一種N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)控(電壓)復(fù)合器件，如圖1所示。它屬于少子器件類，兼有功率MOSFET和雙極性器件的優(yōu)點(diǎn)：輸入阻抗高、開關(guān)速度快、安全工作區(qū)寬、飽和壓降低（甚至接近GTR的飽和壓降）、耐壓高、電流大。IGBT有望用于直流電壓為1500V的高壓變流系統(tǒng)中。目前，已研制出的高功率溝槽柵結(jié)構(gòu)IGBT(Trench I

4、GBT)是高耐壓大電流IGBT器件通常采用的結(jié)構(gòu)，它避免了模塊內(nèi)部大量的電極引線，減小了引線電感，提高了可靠性。其缺點(diǎn)是芯片面積利用率下降。這種平板壓接結(jié)構(gòu)的高壓大電流IGBT模塊將在高壓、大功率變流器中獲得廣泛應(yīng)用。正式商用的高壓大電流IGBT器件至今尚未出現(xiàn)，其電壓和電流容量還很有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需求，特別是在高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，要求器件的電壓等級(jí)達(dá)到10KV以上。目前只能通過IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用。國(guó)外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國(guó)的EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用

5、，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。 MCT：MOS控制晶閘管 MCT(MOS-Controlled Thyristor)是一種新型MOS與雙極復(fù)合型器件，如圖2所示。它采用集成電路工藝，在普通晶閘管結(jié)構(gòu)中制作大量MOS器件，通過MOS器件的通斷來控制晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷。MCT既具有晶閘管良好的關(guān)斷和導(dǎo)通特性，又具備MOS場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率低和開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，克服了晶閘管速度慢、不能自關(guān)斷和高壓MOS場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通壓降大的不足。所以MCT被認(rèn)為是很有發(fā)展前途的新型功率器件。MCT器件的最大可關(guān)斷電流已達(dá)到300A，最高阻斷電壓為3KV，可關(guān)斷電流密度為325A/cm2，且已試制出由12個(gè)MCT

6、并聯(lián)組成的模塊。在應(yīng)用方面，美國(guó)西屋公司采用MCT開發(fā)的10kW高頻串并聯(lián)諧振DC-DC變流器，功率密度已達(dá)到6.1W/cm3。美國(guó)正計(jì)劃采用MCT組成功率變流設(shè)備，建設(shè)高達(dá)500KV的高壓直流輸電HVDC設(shè)備。國(guó)內(nèi)的東南大學(xué)采用SDB鍵合特殊工藝在實(shí)驗(yàn)室制成了100mA/100V MCT樣品；西安電力電子技術(shù)研究所利用國(guó)外進(jìn)口厚外延硅片也試制出了9A/300V MCT 樣品。 IGCT：集成門極換流晶閘管IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是一種用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導(dǎo)體器件。IGCT使變流裝置在功率、可靠性、開關(guān)速度、效率

7、、成本、重量和體積等方面都取得了巨大進(jìn)展，給電力電子成套裝置帶來了新的飛躍。IGCT是將GTO芯片與反并聯(lián)二極管和門極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，再與其門極驅(qū)動(dòng)器在外圍以低電感方式連接，結(jié)合了晶體管的穩(wěn)定關(guān)斷能力和晶閘管低通態(tài)損耗的優(yōu)點(diǎn)，在導(dǎo)通階段發(fā)揮晶閘管的性能，關(guān)斷階段呈現(xiàn)晶體管的特性。IGCT具有電流大、電壓高、開關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、損耗低等特點(diǎn)，而且造成本低，成品率高，有很好的應(yīng)用前景。采用晶閘管技術(shù)的GTO是常用的大功率開關(guān)器件，它相對(duì)于采用晶體管技術(shù)的IGBT在截止電壓上有更高的性能，但廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)GTO驅(qū)動(dòng)技術(shù)造成不均勻的開通和關(guān)斷過程，需要高成本的dv/dt和di/dt吸收

8、電路和較大功率的門極驅(qū)動(dòng)單元，因而造成可靠性下降，價(jià)格較高，也不利于串聯(lián)。但是，在大功率MCT技術(shù)尚未成熟以前，IGCT已經(jīng)成為高壓大功率低頻交流器的優(yōu)選方案。在國(guó)外，瑞典的ABB公司已經(jīng)推出比較成熟的高壓大容量IGCT產(chǎn)品。在國(guó)內(nèi)，由于價(jià)格等因素，目前只有包括清華大學(xué)在內(nèi)的少數(shù)幾家科研機(jī)構(gòu)在自己開發(fā)的電力電子裝置中應(yīng)用了IGCT。IEGT：電子注入增強(qiáng)柵晶體管IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是耐壓達(dá)4KV以上的IGBT系列電力電子器件，通過采取增強(qiáng)注入的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了低通態(tài)電壓，使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發(fā)展。 IEGT具有作為MOS系列電

9、力電子器件的潛在發(fā)展前景，具有低損耗、高速動(dòng)作、高耐壓、有源柵驅(qū)動(dòng)智能化等特點(diǎn)，以及采用溝槽結(jié)構(gòu)和多芯片并聯(lián)而自均流的特性，使其在進(jìn)一步擴(kuò)大電流容量方面頗具潛力。另外，通過模塊封裝方式還可提供眾多派生產(chǎn)品，在大、中容量變換器應(yīng)用中被寄予厚望。日本東芝開發(fā)的IECT利用了“電子注入增強(qiáng)效應(yīng)”，使之兼有IGBT和GTO兩者的優(yōu)點(diǎn)：低飽和壓降，寬安全工作區(qū)(吸收回路容量?jī)H為GTO的1/10左右)，低柵極驅(qū)動(dòng)功率(比GTO低兩個(gè)數(shù)量級(jí))和較高的工作頻率，如圖3所示。器件采用平板壓接式電極引出結(jié)構(gòu)，可靠性高，性能已經(jīng)達(dá)到4.5KV/1500A的水平。IPEM：集成電力電子模塊 IPEM(Intergra

10、ted Power Electronics Modules)是將電力電子裝置的諸多器件集成在一起的模塊。它首先將半導(dǎo)體器件MOSFET、IGBT或MCT與二極管的芯片封裝在一起組成一個(gè)積木單元，然后將這些積木單元迭裝到開孔的高電導(dǎo)率的絕緣陶瓷襯底上，在它的下面依次是銅基板、氧化鈹瓷片和散熱片。在積木單元的上部，則通過表面貼裝將控制電路、門極驅(qū)動(dòng)、電流和溫度傳感器以及保護(hù)電路集成在一個(gè)薄絕緣層上，如圖4所示。IPEM實(shí)現(xiàn)了電力電子技術(shù)的智能化和模塊化，大大降低了電路接線電感、系統(tǒng)噪聲和寄生振蕩，提高了系統(tǒng)效率及可靠性。 PEBB：電力電子積木 PEBB(Power Electric Buildi

11、ng Block)是在IPEM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的可處理電能集成的器件或模塊。PEBB并不是一種特定的半導(dǎo)體器件，它是依照最優(yōu)的電路結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同器件和技術(shù)的集成。典型的PEBB如圖5所示。雖然它看起來很像功率半導(dǎo)體模塊，但PEBB除了包括功率半導(dǎo)體器件外，還包括門極驅(qū)動(dòng)電路、電平轉(zhuǎn)換、傳感器、保護(hù)電路、電源和無源器件。PEBB有能量接口和通訊接口。通過這兩種接口，幾個(gè)PEBB可以組成電力電子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以像小型的DC-DC轉(zhuǎn)換器一樣簡(jiǎn)單，也可以像大型的分布式電力系統(tǒng)那樣復(fù)雜。一個(gè)系統(tǒng)中PEBB的數(shù)量可以從一個(gè)到任何多個(gè)。多個(gè)PEBB模塊一起工作可以完成電壓轉(zhuǎn)換、能量的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換、

12、陰抗匹配等系統(tǒng)級(jí)功能。PEBB最重要的特點(diǎn)就是其通用性。 基于新型材料的電力電子器件SiC（碳化硅）是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，可制作出性能更加優(yōu)異的高溫(300500)、高頻、高功率、高速度、抗輻射器件。SiC高功率、高壓器件對(duì)于公電輸運(yùn)和電動(dòng)汽車等設(shè)備的節(jié)能具有重要意義。Silicon（硅）基器件在今后的發(fā)展空間已經(jīng)相對(duì)窄小，目前研究的方向是SiC等下一代半導(dǎo)體材料。采用SiC的新器件將在今后510年內(nèi)出現(xiàn)，并將對(duì)半導(dǎo)體材料產(chǎn)生革命性的影響。用這種材料制成的功率器件，性能指標(biāo)比砷化鎵器件還要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。碳化硅與其他半導(dǎo)體材料相比，具有下列優(yōu)異的物理特點(diǎn): 高禁帶寬度、高飽和電子漂

13、移速度、高擊穿強(qiáng)度、低介電常數(shù)和高熱導(dǎo)率。上述這些優(yōu)異的物理特性,決定了碳化硅在高溫、高頻率、高功率的應(yīng)用場(chǎng)合是極為理想的材料。在同樣的耐壓和電流條件下，SiC器件的漂移區(qū)電阻要比硅低200倍，即使高耐壓的 SiC場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通壓降，也比單極型、雙極型硅器件低得多。而且，SiC器件的開關(guān)時(shí)間可達(dá)10ns級(jí)。SiC可以用來制造射頻和微波功率器件、高頻整流器、MESFET、MOSFET和JFET等。SiC高頻功率器件已在Motorola公司研發(fā)成功，并應(yīng)用于微波和射頻裝置；美國(guó)通用電氣公司正在開發(fā)SiC功率器件和高溫器件；西屋公司已經(jīng)制造出了在26GHz頻率下工作的甚高頻MESFET；ABB公司正在研制用于工業(yè)和電力系統(tǒng)的高壓、大功率SiC整流器和其他SiC低頻功率器件。理論分析表明，SiC功率器件非常接近于理想