文档介绍：现代电力电子器件的发展与现状
解放军信息工程大学李现兵师宇杰王广州黄娟
电力电子器件的回顾
电力电子器件又称作开关器件,相当于信号电路中的A/D采样,称之为功率采样,器件的工作过程就是能量过渡过程,其可靠性决定了系统的可靠性。根据可控程度可以把电力电子器件分成两类:
半控型器件——第一代电力电子器件
上个世纪50年代,美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世,标志着电力电子技术的开端。此后,晶闸管(SCR)的派生器件越来越多,到了70年代,已经派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器件,功率越来越大,性能日益完善。但是由于晶闸管本身工作频率较低(一般低于400Hz),大大限制了它的应用。此外,关断这些器件,需要强迫换相电路,使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。目前,国内生产的电力电子器件仍以晶闸管为主。
全控型器件——第二代电力电子器件
随着关键技术的突破以及需求的发展,早期的小功率、低频、半控型器件发展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。由于全控型器件可以控制开通和关断,大大提高了开关控制的灵活性。自70年代后期以来,可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR或BJT)及其模块相继实用化。此后各种高频全控型器件不断问世,并得到迅速发展。这些器件主要有电力场控晶体管(即功率MOSFET)、绝缘栅极双极晶体管(IGT或IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)等。
电力电子器件的最新发展
现代电力电子器件仍然在向大功率、易驱动和高频化方向发展。电力电子模块化是其向高功率密度发展的重要一步。当前电力电子器件的主要发展成果如下:
IGBT:绝缘栅双极晶体管
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种N沟道增强型场控(电压)复合器件,如图1所示。它属于少子器件类,兼有功率MOSFET和双极性器件的优点:输入阻抗高、开关速度快、安全工作区宽、饱和压降低(甚至接近GTR的饱和压降)、耐压高、电流大。IGBT有望用于直流电压为1500V的高压变流系统中。
目前,已研制出的高功率沟槽栅结构IGBT(Trench IGBT)是高耐压大电流IGBT器件通常采用的结构,它避免了模块内部大量的电极引线,减小了引线电感,提高了可靠性。其缺点是芯片面积利用率下降。这种平板压接结构的高压大电流IGBT模块将在高压、大功率变流器中获得广泛应用。
正式商用的高压大电流IGBT器件至今尚未出现,其电压和电流容量还很有限,远远不能满足电力电子应用技术发展的需求,特别是在高压领域的许多应用中,要求器件的电压等级达到10KV以上。目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件,德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用,日本东芝也已涉足该领域。
MCT:MOS控制晶闸管
MCT(MOS-Controlled Thyristor)是一种新型MOS与双极复合型器件,如图2所示。它采用集成电路工艺,在普通晶闸管结构中制作大量MOS器件,通过MOS器件的通断来控制晶闸管的导通与关断。MCT既具有晶闸管良好的关断和导通特性,又具备MOS场效应管输入阻抗高、驱动功率低和开