现代电力电子器件的现状与发展

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1、现代电力电子器件的发展摘　要:介绍各种现代电力电子器件的特点、应用现状以及发展过程,分析了电力电子器件的最新发展情况及未来的发展趋势。关键词:电力电子器件；SiC器件；发展1引　言现代电力电子技术是从上世纪八十年代发展起来的一门新型学科的一门新型学科,它集电子技术、电力技术和控制理论于一体,已经发展成为一个涉及领域广阔的独立而日趋成熟的重要学科。现代电力电子技术无论对传统工业的改造还是对高新技术产业的发展都有着至关重要的作用,它涉及的应用领域包括国民经济的各个工业部门。毫无疑问,电力电子技术将成为21世纪的重要关键技术之一。电力电子技术是应用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术,其中

2、电力电子器件是电力电子技术的重要基础。以电力电子器件为核心的电力电子装置中器件所占的价值虽然只有装置总价值的20%-30%左右,但器件的性能对整个装置的各项技术指标和性能有着重要的影响。电力电子器件又称为开关器件,是应用于电力领域的电子器件,其控制功率范围可以从1W以下到数百MW,甚至GW.对于电力电子器件而言,它的工作特性应当是:导通状态能流过大电流且导通电压降低,截止状态能承受高电压;开关转换时,开关时间短,开关过程中要能承受足够高的di/dt和dv/dt;能控制器件的开通和关断.目前,电力电子器件有多种分类方式.例如,按照其可控程度可分为,不可控器件,半控型器件,全控型器件及模块

3、化器件;按照器件的结构和工作机理可分为,双极型器件,单极型器件和混合型器件.2　电力电子器件的发展过程2.1半控型器件上世纪50年代,美国通用电气公司发明了世界上第一只硅晶闸管(SCR),标志着电力电子技术的诞生。此后,晶闸管得到了迅速发展,器件容量越来越大,性能得到不断提高,并产生了各种晶闸管派生器件,如快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。但是,晶闸管作为半控型器件,只能通过门极控制其开通,不能控制其关断,要关断器件必须通过强迫换相电路,从而使整个装置体积增加,复杂程度提高,效率降低。另外,晶闸管为双极型器件,有少子存储效应,所以工作频率低,一般低于4007Hz.由于以

4、上这些原因,使得晶闸管的应用受到很大限制。虽然晶闸管有以上一些缺点,但由于它的高电压、大电流特性,使它在高压直流输电、静止无功补偿(SVC)、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速等方面的应用仍占有十分重要的地位。预计在今后若干年内,晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。2.2　全控型器件随着半导体技术的不断发展,电力电子器件从早期的小功率、半控型、低频器件发展为现在的大功率、全控型、高频器件。从上世纪70年代后期开始,GTO、GTR器件及模块相继实用化。此后,各种高频全控型器件不断问世,并得到迅速发展,如IGBT、MOSFET、IGCT、MCT器件等,这些器件的产生和发展,

5、形成了新型全控型电力电子器件的大家族。2.2.1　大功率晶体管大功率晶体管(GiantTransistor—GTR)也称巨型晶体管,是三层结构的双极全控型大功率高反压晶体管,它具有自关断能力,控制十分方便,并有饱和压降低和比较宽的安全工作区等优点,在许多电力变流装置中得到应用。GTR是一种电流控制型器件,所需驱动功率较大,驱动电路较复杂,且由于其固有的“二次击穿”问题,其安全工作区受各项参数影响而变化,所以GTR存在热容量小、过流能力低等缺点。目前,GTR已经基本被GTO取代。2.2.2　可关断晶闸管GTO(GateTurnOffThyristor)是上个世纪60年代初问世的,在此后

6、的三四十年内得到了很大的发展,至今仍是重要的电力半导体器件。传统GTO的基本结构与普通晶闸管一样,也是4层3端结构,它几乎具有晶闸管的全部优点。但它的门极不仅具有普通晶闸管控制阴阳极主回路导通的能力,而且当在门极上施加负电压时,能使处于导通状态的晶闸管转变为关断状态,重新恢复阻断能力,实现门极关断,为全控型器件。为了改善关断特性,GTO器件均采用多个子器件并联的方式,即在同一硅片上,制作成千上万个细小的GTO子器件,它们有共同的门极,阴极相互分开独立,采用适当的封装结构,将这些子器件并联在一起,器件外观和大功率普通晶闸管完全一样。传统GTO器件存在固有的缺陷,如GTO的最大可关断阳极电

7、流与加在门极的负脉冲电流有关,二者之比为GTO的电流关断增益。另外,传统GTO的电流关断增益只有3-75,而GTO在关断过程中,各子器件关断不均匀,很可能造成关断过程拖尾时间长,电流甚至集中在某些子器件上,这种电流局部集中现象称为电流的“挤流效应”。“挤流效应”的存在将导致器件局部热点的产生,严重时会使GTO器件被烧毁。这些都限制了GTO的应用范围。但是GTO所具有的高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量等优点,使它在高压