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——代電力電子器件

上個世紀(jì)50年代，美國通用電氣公司發(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)晶閘管(SITH)等。

電力電子器件的發(fā)展

現(xiàn)代電力電子器件仍然在向大功率、易驅(qū)動和高頻化方向發(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 IGBT)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，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場效應(yīng)管輸入阻抗高、驅(qū)動功率低和開關(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器件的可關(guān)斷電流已達(dá)到300A，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MCT并聯(lián)組成的模塊。

在應(yīng)用方面，美國西屋公司采用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、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)動電路集成在一起，再與其門極驅(qū)動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吸收電路和較大功率的門極驅(qū)動單元，因而造成可靠性下降，價格較高，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。在國內(nèi)，由于價格等因素，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系列電力電子器件的潛在發(fā)展前景，具有低損耗、高速動作、高耐壓、有源柵驅(qū)動智能化等特點(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)(吸收回路容量僅為GTO的1/10左右)，低柵極驅(qū)動功率(比GTO低兩個數(shù)量級)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(Intergrated Power Elactronics 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、電流和溫度傳感器以及保護(hù)電路集成在一個薄絕緣層上，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 Building 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)換器一樣簡單，也可以像大型的分布式電力系統(tǒng)那樣復(fù)雜。一個系統(tǒng)中PEBB的數(shù)量可以從一個到任何多個。多個PEBB模塊一起工作可以完成電壓轉(zhuǎn)換、能量的儲存和轉(zhuǎn)換、陰抗匹配等系統(tǒng)級功能。PEBB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(300℃～500℃)、高頻、高功率、高速度、抗輻射器件。SiC高功率、高壓器件對于公電輸運(yùn)和電動汽車等設(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5～10年內(nèi)出現(xiàn)，并將對半導(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數(shù)量級。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)時間可達(dá)10ns級。

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的功率器件。SiC器件的研發(fā)將成為未來的一個主要趨勢。但在SiC材料和功率器件的機(jī)理、理論和制造工藝等方面，還有大量問題有待解決，SiC要真正引領(lǐng)電力電子技術(shù)領(lǐng)域的又革命，估計(jì)至少還要十幾年的時間。

小 結(jié)

電力電子器件正進(jìn)入以新型器件為主的新時代，作為電力電子技術(shù)發(fā)展的決定性因素，電力電子器件的研發(fā)及關(guān)鍵技術(shù)突破，必然會促進(jìn)電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)工業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。