電力電子器件及其發(fā)展簡介

　　電力電子器件用于電能變換和電能控制電路中的大功率（通常指電流為數(shù)十至數(shù)千安，電壓為數(shù)百伏以上）電子器件，又稱功率電子器件。20世紀50年代的電力電子器件主要是汞弧閘流管和大功率電子管。60年代發(fā)展起來的晶閘管由于工作可靠、壽命長、體積小、開關(guān)速度快，在電力電子電路中得到廣泛應(yīng)用。到70年代初期，晶閘管已逐步取代汞弧閘流管。

電力電子技術(shù)的發(fā)展，不僅要求提高電力電子器件的控制功率容量和工作頻率，而且要求降低器件的功率損耗，縮小器件及其控制電路的體積。半導(dǎo)體技術(shù)的新成就，為此提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。80年代，普通晶閘管已能開關(guān)數(shù)千安的電流和承受數(shù)千伏的正、反向工作電壓。在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了雙向晶閘管、光控晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管等一系列派生器件。與此同時還開拓了單極型MOS功率場效應(yīng)晶體管，雙極型功率晶體管、靜電感應(yīng)晶閘管、功能組合模塊和功率集成電路等嶄新的電力電子器件。

電力電子器件分類

電力電子器件通常可分為三大類：

①功率二極管，包括功率整流二極管、肖特基二極管、齊納穩(wěn)壓管和二極管組件。

②功率三極管，包括功率達林頓晶體管、MOS功率場效應(yīng)晶體管、隔離柵晶體管、功率靜電感應(yīng)晶體管。

③晶閘管系列，主要是晶閘管及其派生器件，有普通晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、不對稱晶閘管、門極輔助關(guān)斷晶閘管、光控晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、靜電感應(yīng)晶閘管。當然，還可以作其他的分類，但這是一種簡要的分類方法。

電力電子器件工作特性　

各種電力電子器件均具有導(dǎo)通和阻斷二種工作特性。功率二極管是二端器件（指陰極和陽極二端），其器件電流由伏安特性決定，除了改變加在二端間的電壓外，無法控制其陽極電流，故稱不可控器件。普通晶閘管是三端器件，其門極信號能控制元件的導(dǎo)通，但不能控制其關(guān)斷，稱半控型器件。可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管等器件，其門極信號既能控制器件的導(dǎo)通，又能控制其關(guān)斷，稱全控型器件。半控型和全控型電力電子器件控制靈活，電路簡單，開關(guān)速度快，廣泛應(yīng)用于整流、逆變、斬波電路中，是電動機調(diào)速、發(fā)電機勵磁、感應(yīng)加熱、電鍍、電解、直流輸電等電力電子裝置中的核心部件。

電力電子器件發(fā)展

電力電子器件正沿著大功率化、高頻化、集成化的方向發(fā)展。80年代晶閘管的電流容量已達6000安，阻斷電壓高達6500伏。但這類器件工作頻率較低。提高其工作頻率，取決于器件關(guān)斷期間如何加快基區(qū)少數(shù)載流子(簡稱少子)的復(fù)合速度和經(jīng)門極抽取更多的載流子。降低少子壽命雖能有效地縮短關(guān)斷電流的過程，卻導(dǎo)致器件導(dǎo)通期正向壓降的增加。因此必須兼顧轉(zhuǎn)換速度和器件通態(tài)功率損耗的要求。80年代這類器件的工作頻率在 10千赫以下。雙極型大功率晶體管可以在100千赫頻率下工作，其控制電流容量已達數(shù)百安，阻斷電壓1千多伏，但維持通態(tài)比其他功率可控器件需要更大的基極驅(qū)動電流。由于存在熱激發(fā)二次擊穿現(xiàn)象，限制它的抗浪涌能力。進一步提高其工作頻率仍然受到基區(qū)和集電區(qū)少子儲存效應(yīng)的影響。70年代中期發(fā)展起來的電力電子器件單極型MOS功率場效應(yīng)晶體管，由于不受少子儲存效應(yīng)的限制，能夠在兆赫以上的頻率下工作。這種器件的導(dǎo)通電流具有負溫度特性，不易出現(xiàn)熱激發(fā)二次擊穿現(xiàn)象；需要擴大電流容量時，器件并聯(lián)簡單，且具有較好的線性輸出特性和較小的驅(qū)動功率；在制造工藝上便于大規(guī)模集成。但它的通態(tài)壓降較大，制造時對材料和器件工藝的一致性要求較高。到80年代中、后期電流容量僅達數(shù)十安，阻斷電壓近千伏。

80年代發(fā)展起來的靜電感應(yīng)晶閘管、隔離柵晶體管，以及各種組合器件，綜合了晶閘管、 MOS功率場效應(yīng)晶體管和功率晶體管各自的優(yōu)點，在性能上又有新的發(fā)展。例如隔離柵晶體管，既具有MOS功率場效應(yīng)晶體管的柵控特性，又具有雙極型功率晶體管的電流傳導(dǎo)性能，它容許的電流密度比雙極型功率晶體管高幾倍。靜電感應(yīng)晶閘管保存了晶閘管導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)上避免了一般晶閘管在門極觸發(fā)時必須在門極周圍先導(dǎo)通然后逐步橫向擴展的過程，所以比一般晶閘管有更高的開關(guān)速度，而且容許的結(jié)溫升也比普通晶閘管高。這些新器件，在更高的頻率范圍內(nèi)滿足了電力電子技術(shù)的要求。

功率集成電路指在一個芯片上把多個器件及其控制電路集合在一起。其制造工藝既概括了代功率電子器件向大電流、高電壓發(fā)展過程中所積累起來的各種經(jīng)驗，又綜合了大規(guī)模集成電路的工藝特點。這種器件由于很大程度地縮小了器件及其控制電路的體積，因而能夠有效地減少當器件處于高頻工作狀態(tài)時寄生參數(shù)的影響，這對提高電路工作頻率和抑制外界干擾十分重要。

從60年代到70年代初期，以半控型普通晶閘管為代表的電力電子器件，主要用于相控電路。這些電路十分廣泛地用在電解、電鍍、直流電機傳動、發(fā)電機勵磁等整流裝置中，與傳統(tǒng)的汞弧整流裝置相比，不僅體積小、工作可靠，而且取得了十分明顯的節(jié)能效果（一般可節(jié)電10～40％，從中國的實際看，因風(fēng)機和泵類負載約占全國用電量的1/3，若采用交流電動機調(diào)速傳動，可平均節(jié)電 20％以上，每年可節(jié)電400億千瓦時），因此電力電子技術(shù)的發(fā)展也越來越受到人們的重視。70年代中期出現(xiàn)的全控型可關(guān)斷晶閘管和功率晶體管，開關(guān)速度快，控制簡單，逆導(dǎo)可關(guān)斷晶閘管更兼容了可關(guān)斷晶閘管和快速整流二極管的功能。它們把電力電子技術(shù)的應(yīng)用推進到了以逆變、斬波為中心內(nèi)容的新領(lǐng)域。這些器件已普遍應(yīng)用于變頻調(diào)速、開關(guān)電源、靜止變頻等電力電子裝置中。

80年代初期出現(xiàn)的 MOS功率場效應(yīng)晶體管和功率集成電路的工作頻率達到兆赫級。集成電路的技術(shù)促進了器件的小型化和功能化。這些新成就為發(fā)展高頻電力電子技術(shù)提供了條件，推動電力電子裝置朝著智能化、高頻化的方向發(fā)展。