1 引言
電力電子技術(shù)包括功率半導體器件與ic技術(shù)、功率變換技術(shù)及控制技術(shù)等幾個方面，其中電力電子器件是電力電子技術(shù)的重要基礎，也是電力電子技術(shù)發(fā)展的“機車”。現(xiàn)代電力電子技術(shù)無論對改造傳統(tǒng)工業(yè)(電力、機械、礦冶、交通、化工、輕紡等)，還是對高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)(航天、激光、通信、機器人等)都至關(guān)重要，它已迅速發(fā)展成為一門獨立學科領域。它的應用領域幾乎涉及到國民經(jīng)濟的各個工業(yè)部門，毫無疑問，它將成為21世紀重要關(guān)鍵技術(shù)之一。
“一代器件決定一代電力電子技術(shù)。”每一代新型電力電子器件的出現(xiàn)，總是帶來一場電力電子技術(shù)的革命。從1958年美國通用電氣(ge)公司研制出世界上第一個工業(yè)用普通晶閘管開始，電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機組和靜止的離子變流器進入由電力電子器件構(gòu)成的變流器時代，這標志著電力電子技術(shù)的誕生。80年代末期和90年代初期發(fā)展起來的、以功率mosfet和igbt為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,標志著傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。以功率器件為核心的現(xiàn)代電力電子裝置，在整臺裝置中通常不超過總價值的20%～30%，但是，它對提高裝置的各項技術(shù)指標和技術(shù)性能，卻起著十分重要的作用。
2 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，其可靠性決定了裝置和系統(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:
(1) 半控型器件-第一代電力電子器件
自從50年代，由美國通用電氣公司發(fā)明的硅晶閘管的問世，標志著電力電子技術(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、逆導晶閘管、雙向晶閘管、不對稱晶閘管等半控型器件，電力電子器件的功率也越來越大，性能日益完善。但是由于晶閘管的固有特性，工作頻率較低(一般低于400hz)，大大限制了它的應用范圍，并且由于其固有的特性，比如關(guān)斷這些器件，必須要有強迫換相電路，使得整體體積增大、重量增加、效率降低以及可靠性下降。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的電力電子器件仍以晶閘管為主，其中的一些中低檔產(chǎn)品業(yè)已成熟，并有相當?shù)呐砍隹凇?BR>(2) 全控型器件-第二代電力電子器件
伴隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破以及需求的發(fā)展，早期的小功率、半控型、低頻器件發(fā)展到現(xiàn)在的超大功率、高頻全控器件。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。從70年代后期開始，可關(guān)斷晶閘管(gto)、電力晶體管(gtr或bjt)及其模塊相繼實用化。在此后各種高頻率的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)、靜電感應晶體管(sit)、靜電感應晶閘管(sith)等，這些器件的產(chǎn)生和發(fā)展，已經(jīng)形成了一個新型的全控電力電子器件的大家族。
3 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)動和高頻化方向發(fā)展。另外，電力電子模塊化是電力電子向高功率密度發(fā)展的重要的一步。當前電力電子器件的主要成果如下:
(1) igbt-絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor)
igbt是一種n溝道增強型場控(電壓)復合器件，如圖1所示。它屬于少子器件類，卻兼有了power mosfet和雙極性器件的優(yōu)點: 高的輸入阻抗(容抗性質(zhì))、開關(guān)速度快、安全工作區(qū)寬; 飽和壓降比較低，甚至接近gtr的飽和壓降，耐壓高、電流大,因此，igbt將是促進高頻電力電子技術(shù)發(fā)展的一種比較理想的基礎元件，其可望用于直流電壓為1500v的高壓變流系統(tǒng)。
圖1 n溝道igbt示意圖
目前，已經(jīng)研制出的高功率溝槽柵結(jié)構(gòu)igbt(trench igbt)模塊，是近幾年來出現(xiàn)的高耐壓大電流igbt器件均采用的結(jié)構(gòu)，它避免了大電流igbt模塊內(nèi)部大量的電極引出線，提高了可靠性和減小了引線電感，缺點是芯片面積利用率下降。所以這種平板壓接結(jié)構(gòu)的高壓大電流igbt模塊也可望成為高功率高電壓變流器的優(yōu)選功率器件。
正式商用化的高壓大電流igbt器件至今尚未出現(xiàn)，其電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技術(shù)發(fā)展的需求，特別是在高壓領域許多應用中，要求器件的電壓等級達到10kv以上。目前只能通過其它技術(shù)手段，比如依靠igbt高壓串聯(lián)應用組件技術(shù)來實現(xiàn)它的高壓應用。國外許多大的相關(guān)廠家都投入了大量的人力物力開發(fā)研制新型高壓igbt器件。例如，瑞士abb公司采用軟穿通原則研制出了高壓8000v的igbt器件，如圖2所示。德國的eupec生產(chǎn)的6500v/600a高壓大功率igbt器件已經(jīng)獲得實際應用。日本的東芝公司也投入到開發(fā)和研制新型高壓igbt器件的行列中。
圖2 abb公司開發(fā)的igbt
(2) mct-mos控制晶閘管(mos-controlled thyristor)
mct是一種新型mos與雙極復合型器件，如圖3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開通與關(guān)斷。mct既具有晶閘管良好的阻斷和通態(tài)特性，又具備mos場效應管輸入阻抗高、驅(qū)動功率低和開關(guān)速度快的優(yōu)點，同時它還克服了晶閘管速度慢、不能自關(guān)斷和高壓mos場效應管導通壓降大的缺點。這是mct被認為是目前眾多的新型功率器件中很有發(fā)展前途的器件的原因。
圖3 mct的等效電路圖
mct器件自上世紀80年代末期產(chǎn)生，雖然發(fā)展時間較短，但是mct在國外已經(jīng)發(fā)展到了很高的水平。mct器件的最大可關(guān)斷電流已經(jīng)達到了300a，最高阻斷電壓為3000v，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。
mct的應用也達到了相當高的水平，美國西屋公司報導了其采用mct開發(fā)10kw高頻串并聯(lián)諧振dc-dc變流器的研究情況，已得到了令人矚目的功率密度(6.1w/cm2)和高可靠的運行。據(jù)報導 ，美國正計劃采用mct組成功率變流設備，建設高達500kv的高壓直流輸電hvdc設備。國內(nèi)的東南大學采用sdb鍵合特殊工藝在實驗室制成了100ma/100v mct樣品; 西安電力電子技術(shù)研究所利用國外進口厚外延硅片也試制出9a/300v mct 樣品。mct的研究與應用正在全面展開，實用化為期不遠。
(3) igct-集成門極換流晶閘管(intergrated gate commutated thyristors)
igct是一種用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導體器件。它的應用使變流裝置在功率、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)合了晶體管和晶閘管兩種器件的優(yōu)點，即晶體管的穩(wěn)定的關(guān)斷能力和晶閘管的低通態(tài)損耗的一種新型器件。igct在導通期間發(fā)揮晶閘管的在導通期間晶閘管的性能，關(guān)斷階段呈類似晶體管的特性。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、損耗低的特點。此外，igct還像還像gto一樣，具有制造成本低和成品率高的特點，有極好的應用前景。
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，但廣泛應用的標準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和價格較高的缺點。此外，也不利于串聯(lián)以便用于更大容量的裝置。因此，在大功率mct技術(shù)尚未成熟以前，igct已經(jīng)成為高功率高電壓低頻交流器的優(yōu)選功率器件之一。
瑞士的abb公司的acs1000是目前國外高壓大容量變頻器中比較成熟的產(chǎn)品之一。在acs1000變頻器中，igct是主要的功率開關(guān)器件, 圖4為其開發(fā)的一種型號的igct。由于其價格等因素, 目前, 國內(nèi)只有包括清華大學在內(nèi)的少數(shù)幾家科研院所在自己開發(fā)的電力電子裝置中應用了igct。
圖4 abb公司開發(fā)的一種igct
(4) iect-電子注入增強柵晶體管(injection enhanced gate transistor)
iegt是耐壓4kv以上的高耐壓igbt系列電力電子器件，同時又是通過采取增強注入的結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)低通態(tài)電壓、使大容量電力電子器件取得飛躍性發(fā)展?，F(xiàn)已經(jīng)經(jīng)歷了實際應用的初期階段，進入了通過特性改良以實現(xiàn)更高性能為目標的發(fā)展期。
iegt本質(zhì)上具有作為mos系列電力電子器件的潛在發(fā)展前景，預示著它是未來的重要發(fā)展方向。低損耗、高速動作等基本的芯片性能會不斷提高自不必說，6kv級的高耐壓化、有源柵驅(qū)動的智能化、以及溝槽結(jié)構(gòu)的采用等特性改良措施、多芯片并聯(lián)而自均流的特征也都孕育其并聯(lián)驅(qū)動以進一步擴大電流容量的巨大潛力。另外，通過模塊封裝它還具有多樣化聯(lián)接的眾多派生產(chǎn)品的靈活性，它作為中大容量變換器的突破點被寄予厚望。
由日本東芝開發(fā)的iect(如圖5所示), 利用了“電子注入增強效應”，使之兼有igbt和gto兩者的優(yōu)點: 低的飽和壓降, 寬的安全工作區(qū)(吸收回路容量僅為gto的1/10左右), 低的柵極驅(qū)動功率(比gto低兩個數(shù)量級)和較高的工作頻率。加之該器件采用了平板壓接式電極引出結(jié)構(gòu)，可望有較高的可靠性，目前該器件已經(jīng)達到4.5kv/1500a的水平。
圖5 一種典型的iect
(5) ipem-集成電力電子模塊(intergrated power elactronics modules)
ipem已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的電力電子器件的概念，它是將電力電子裝置的諸多器件集成在一起的模塊。它的組成過程如下: 首先將半導體器件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電路集成在一薄層絕緣層上, 如圖6所示, 為一個典型的電力電子模塊。ipem實現(xiàn)了電力電子技術(shù)的智能化和模塊化, 并大大降低電路接線電感，提高了系統(tǒng)的效率。進一步提高了可靠性，降低了系統(tǒng)的噪音和寄生振蕩。
圖6 一種采用柵陣列構(gòu)成的集成電力電子模塊
(6) pebb-電力電子積木(power electric building block)
1997年前后美國政府、軍方及電力電子技術(shù)領域一些著名學者共同提出pebb的概念，可以說pebb是在ipem的基礎上發(fā)展起來的。pebb是可以處理電能集成的器件或模塊。一個pebb并不是一種特定的半導體器件，一種無源器件或一種電路結(jié)構(gòu)，它是依照最優(yōu)的電路結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計的不同器件和技術(shù)的集成。一種典型的pebb如圖7所示。雖然它看起來很象一種典型的功率半導體模塊，但pebb包括的東西更多，除了功率半導體器件外，它還包括門極驅(qū)動電路、電平轉(zhuǎn)換、傳感器、保護電路、電源和無源器件。
圖7 一種典型的pebb
作為一種模塊化產(chǎn)品，pebb有兩種接口: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)可以象小型的dc-dc轉(zhuǎn)換器一樣簡單，也可以象大型的分布式電力系統(tǒng)一樣復雜。一個系統(tǒng)中pebb的數(shù)量可以從一個到所需要的任何數(shù)量。多個pebb模塊一道工作可以完成系統(tǒng)級的功能，例如電壓轉(zhuǎn)換，能量的儲存和轉(zhuǎn)換，阻抗匹配等。在pebb的應用中，有幾個特性非常重要，其中最重要的一點就是其通用性。pebb的研究始于在各種器件、電路結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中找到共同的電氣、機械、熱力學架構(gòu)，最后的目標是設計并生產(chǎn)出適合各種應用場合的通用pebb模塊。
4 基于新型材料的電力電子器件
sic是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導體材料，作為si等半導體材料的重要補充，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送和電動汽車等節(jié)能具有重要意義。美國電力電子系統(tǒng)中心的李澤元博士指出，silicon(硅)基器件的發(fā)展，在今后已沒有什么可突破的空間了，目前研究的方向是sic(碳化硅)等下一代半導體材料，這種新器件將在今后5～10年內(nèi)出現(xiàn)，它的出現(xiàn)會產(chǎn)生革命性的影響。在用這種新型半導體材料制成的功率器件，性能指標比砷化鎵器件還要高一個數(shù)量級，碳化硅與其他半導體材料相比，具有下列優(yōu)異的物理特點:高的禁帶寬度，高的飽和電子漂移速度，高的擊穿強度，低的介電常數(shù)和高的熱導率。上述這些優(yōu)異的物理特性,決定了碳化硅在高溫、高頻率、高功率的應用場合是極為理想的半導體材料。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場效應管的導通壓降，也比單極型、雙極型硅器件的導通壓將低得多。而且，sic器件的開關(guān)時間可達10ns量級，并具有十分優(yōu)越的fbsoa。
sic可以用來制造射頻和微波功率器件，各種高頻整流器，mesfets、mosfets和jfets等。sic高頻功率器件已在motorola公司研發(fā)成功，并應用于微波和射頻裝置。ge公司正在開發(fā)sic功率器件和高溫器件(包括用于噴氣式引擎的傳感器)。西屋公司已經(jīng)制造出了在26ghz頻率下工作的甚高頻的mesfet。abb公司正在研制高功率、高電壓的sic整流器和其他sic低頻功率器件，用于工業(yè)和電力系統(tǒng)。理論分析表明，sic功率器件非常接近于理想的功率器件。可以預見，各種sic器件的研究與開發(fā)，必將成為功率器件研究領域的主要潮流之一。但是，sic材料和功率器件的機理、理論、制造工藝均有大量問題需要解決，它們要真正給電力電子技術(shù)領域帶來又一次革命，估計至少還需要十幾年的時間。
5 結(jié)束語
電力電子器件的應用已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的各個方面，實際的需要必將極大地推動器件的不斷創(chuàng)新。電力電子器件正進入以新型器件為主體的新一代電力電子器件時代，它將基本上取代傳統(tǒng)器件?！耙淮骷Q定一代電力電子技術(shù)，”作為電力電子技術(shù)發(fā)展的決定性因素，電力電子器件的研究開發(fā)以及關(guān)鍵技術(shù)突破，必然會促進電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，從而促進了以電力電子技術(shù)為基礎的傳統(tǒng)工業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。
參考文獻
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：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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