浅谈电力电子技术的发展

1、浅谈电力电子技术1 电力电子技术简介电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶 闸管，gto, igbt等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率 可大到数百mw甚至gw,也可以小到数w甚至1w以下，和以信息处理为主的信息电子 技术不同电力电子技术主要用于电力变换。一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制岀的第一个 晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管交流技术的发 展而确立的。7（）年代后期以门极可关断晶闸管（gto）,电力双极型晶体管（bjt）,电力场效 应管（powc.mosfet）为代

2、表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过对 门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电子技术的面貌 焕然一新进入了新的发展阶段。8（）年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（igbt可看作mosfet和bjt的复合） 为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，在流能力大于一身， 性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑， 体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把 驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（pic）。目前pic 的功率都述较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方

3、向。2电力电子器件的分类21详细分类可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶闸管为半控型器件， 承受电压和电流容量在所有器件中最高；电力二极管为不可控器件，结构和原理简单， 工作可靠；还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其中gto、gtr为电流 驱动型器件，igbt、电力mosfet为电压驱动型器件。22儿种常见电力电子器件的优缺点器件优点缺点igbt开关速度高，开关损耗小， 具有耐脉冲电流冲击的能力，通 态压降较低，输入阻抗高，为电 压驱动，驱动功率小开关速度低于电力mosfet,电压，电流容量不及gtogtr耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，为

4、电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题gto电压、电流容量大，适用于 大功率场合，具有电导调制效 应，其通流能力很强电流关断增益很小，关 断时门极负脉冲电流大，开 关速度低，驱动功率大，驱 动电路复杂，开关频率低电力mosfet开关速度快，输入阻抗髙， 热稳定性好，所需驱动功率小且 驱动电路简单，工作频率髙，不 存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kw的电力电子装置3电力电子技术的应用3.1 一般丄业：交直流电机、电化学工业、冶金工业32交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海33电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿34电子装置电源：为信

5、息电子装置提供动力35家用电器：“节能灯”、变频空调其他：ups、航天飞行器、新能源、发电装置4电力电子技术的最新进展41功率晶闸管的最新发展411超大功率晶闸管晶闸管（scr）自问世以来，其功率容量提高了近3000倍。现在许多国家已能 稳定生产?mm. 8kv/4ka的晶闸管。fi本现在已投产8kv/4ka和6kv/6ka的光触发 晶闸管（ltt）o美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。近十儿年来，由于自关断器件的飞速发 展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在hvdc、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应用方面仍占有十分重要 的地位。预计

6、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。现在，许多生产商可提供额定开关功率36mva ( 6kv/ 6ka )ffl的高压大电流gto。 传统gto的典型的关断增量仅为35。gto关断期间的不均匀性引起的“挤流效应”使其 在关断期间dv/dt必须限制在500-1 kv/|jso为此，人们不得不使用体积大、昂贵的吸收电 路。另外它的门极驱动电路佼复杂和要求较大的驱动功率。但是，高的导通电流密度、高的 阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量和有可能在内部集成一个反并二极管，这些突出的优 点仍使人们对gto感到兴趣。到目前为止，在高压(vbr > 3.3kv )、大功率

7、(0.520 mva) 牵引、工业和电力逆变器中应用得最为普遍的是门控功率半导体器件。目前，gto的最高 研究水平为6泊、6kv/6ka以及9kv/10kao为了满足电力系统对1gva以上的三相逆变功 率电压源的需要,近期很有可能开发岀10ka/12kv的gto,并有可能解决30多个高压gto 串联的技术，可望使电力电子技术在电力系统中的应用方面再上一个台阶。412脉冲功率闭合开关晶闸管该器件特别适用于传送极强的峰值功率(数mw)、极短的持续时间(数ns)的放 电闭合开关应用场合，如：激光器、高强度照明、放电点火、电磁发射器和雷达调制器等。 该器件能在数kv的髙压下快速开通，不需要放电电极，具

8、有很长的使用寿命，体积小、价 格比较低，可望取代目前尚在应用的高压离子闸流管、引燃管、火花间隙开关或真空开关等。该器件独特的结构和工艺特点是:fl-阴极周界很长并形成髙度交织的结构，门极 而积占芯片总而积的90%,而阴极而积仅占10%；基区空穴电子寿命很长，门阴极z间 的水平距离小于一个扩散长度。上述两个结构特点确保了该器件在开通瞬间，阴极面积能得 到100%的应用。此外，该器件的阴极电极采用较厚的金属层，可承受瞬时峰值电流。413.新型gto器件集成门极换流晶闸管当前已有两种常规gto的替代品:高功率的igbt模块、新型gto派生器件集成 门极换流igct晶闸管。igct晶闸管是一种新型的大

9、功率器件，与常规gto晶闸管相比, 它具有许多优良的特性，例如，不用缓冲电路能实现可靠关断、存贮时间短、开通能力强、 关断门极电荷少和应用系统(包扌舌所有器件和外围部件如阳极电抗器和缓冲电容器等)总的 功率损耗低等。在上述这些特性中，优良的开通和关断能力是特别重要的方面，因为在实际应用屮, gto的应用条件主要是受到这些开关特性的局限。众所周知，gto的关断能力与其门极驱 动电路的性能关系极大，当门极关断电流的上升率(digq/dt)较高时，gto晶闸管则具有 较高的关断能力。一个4.5kv/4ka的igct与一个4.5kv/4ka的gto的硅片尺寸类似，可 是它能在高于6ka的情况下不用缓冲

10、电路加以关断，它的digq/dt高达6ka/pso对于开通 特性，门极开通电流上升率(dig/dt)也非常重要，可以借助于低的门极驱动电路的电感比 较容易实现。igct之所以具有上述这些优良特性，是因为在器件结构上对gto采取了一 系列改进措施。图1是igct管饼和芯片的外形照片，芯片的基本图形和结构与常规gto 类似，但是它除了采用了阳极短路型的逆导gto结构以外，主要是采用了特殊的环状门极, 其引出端安排在器件的周边，特别是它的门、阴极之间的距离要比常规gto的小得多，所 以在门极加以负偏压实现关断时，门、阴极间可立即形成耗尽层，如图2所示。这时， 从阳极注入基区的主电流，则在关断瞬间全部

11、流入门极，关断增益为1,从而使器件迅速 关断。不言而喻，关断igct时需要提供与主电流相等的瞬时关断电流，这就要求包括- igct门阴极在内的门极驱动回路必须具有十分小的引线电感。实际上，它的门极和阴极z 间的电感仅为常规gto的1/10oigct的另一个特点是有一个极低的引线电感与管饼集成在一起的门极驱动器。igct用多层薄板状的衬板与主门极驱动电路相接。门极驱电路则由衬板及许多并联的功率 mos管和放电电容器组成。包扌舌igct及其门极驱动电路在内的总引线电感量可以减小到 gto的1/100,表1是igct的电特性参数。目前，4.5kv (1.9kv/2.7kv 直流链)及 5.5kv (

12、3.3kv 直流链)、275a<ltgqm<3120a的igct已研制成功。有效硅面积小、低损耗、快速开关这些优点保证了 igct能可靠、高效率地用于 300 kva10mva变流器，而不需要串联或并联。在串联时，逆变器功率可扩展到100mvao 虽然高功率的igbt模块具有一些优良的特性，如能实现di/dt和dv/dt的有源控制、有源 箝位、易于实现短路电流保护和有源保护等。但因存在着导通高损耗、硅有效面积低利用率、 损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点，限制了高功率igbt模块在高功率低频变 流器屮的实际应用。因此在大功率mct未问世以前，igct可望成为高功率高电压低频

13、变 流器的优选功率器件之一。42igbt模块的最新发展4-2-1 .高功率沟槽栅结构igbt(trench igbt)模块当今高功率igbt模块中的igbt元胞通常多采用沟槽栅结构igbto与平面栅结 构相比，沟槽栅结构通常采用gm加工精度，从而大大提高了元胞密度。由于门极沟的存 在，消除了平面栅结构器件中存在的相邻元胞之间形成的结型场效应晶体管效应，同时引入 了一定的电子注入效应，使得导通电阻下降。为增加长基区厚度、提高器件耐压创造了条件。 所以近几年来出现的高耐压大电流igbt器件均采用这种结构。1996年日本三菱和日立公司分别研制成功3.3kv/1.2ka巨大容量的igbt模块。 它们与

14、常规的gto相比，开关时间缩短了 20%,栅极驱动功率仅为gto的1/1000o 1997 年富士电机研制成功1ka/2.5kv平板型igbt,由于集电、发射结采用了与gto类似的平 板压接结构，采用更髙效的芯片两端散热方式。特别有意义的是，避免了大电流igbt模块 内部大量的电极引出线，提高了可靠性和减小了引线电感，缺点是芯片面积利用率下降。所 以这种平板压接结构的尚压大电流igbt模块也可望成为高功率高电压变流器的优选功率 器件。4222.新型大功率igbt模块电子注入增强栅晶体管iegt（lnjection enhanced gate trangistor）近年来，日本东芝公司开发了 i

15、egt,与igbt 样，它也分平面栅和沟槽栅两种 结构，前者的产品即将问世，后者尚在研制屮。iegt兼有igbt和gto两者的某些优点: 低的饱和压降，宽的安全工作区（吸收回路容量仅为gto的1/10左右），低的栅极驱动功 率（比gto低2个数量级）和较高的工作频率。加之该器件采用了平板压接式电极引出结 构，可望有较高的可靠性。iegt之所以有前述这些优良的特性，是由于它利用了“电子注入增强效应”。为了 简要说明这一效应，将igbt及iegt单胞示意图示于图4。与igbt相比，iegt结构的主 要特点是栅极长度lg较长，n长基区近栅极侧的横向电阻值较高，因此从集电极注入n长 基区的空穴，不像在

16、igbt屮那样，顺利地横向通过p区流入发射极，而是在该区域形成一 层空穴积累层。为了保持该区域的电屮性，发射极必须通过n沟道向n长基区注入大量的 电子。这样就使n长基区发射极侧也形成了高浓度载流子积累，在n长基区中形成与gto 屮类似的载流子分布，从而较好地解决了大电流、高耐压的矛盾。目前该器件已达到4.5kv /1ka的水平。43 mos n控晶闸管mos门极控制晶闸管充分地利用晶闸管良好的通态特性、优良的开通和关断特性, 可望具有优良的白关断动态特性、非常低的通态电压降和耐高压，成为将来在电力装置和电 力系统中有发展前途的高压大功率器件。目前世界上有十儿家公司在积极开展对mct的研 究。m

17、os门控晶闸管主要有三种结构：mos场控晶闸管(mct)、基极电阻控制晶闸管 (brt)及射极开关晶闸管(est)。其中est可能是mos门控晶闸管中最有希望的一种结构。 但是，这种器件要真正成为商业化的实用器件，达到取代gto的水平，还需要相当长的一 段时间。44采用新型半导体材料制造的新型功率器件至今，硅材料功率器件己发展得相当成熟。为了进一步实现人们对理想功率器件特 性的追求，越来越多的功率器件研究工作转向了对用新型半导体材料制作新型半导体功率器 件的探求。研究表明，碑化镣fet和肖特基整流器可以获得十分优越的技术性能。collins et al公司用gaas vfets制成了 10mh

18、z pwm变换器，其功率密度高达500w/in3o高压 (600v)碑化镣高频整流二极管近年来也有所突破，sic材料和功率器件的研究工作十分 活跃。441.高压碑化镣高频整流二极管随着变换器开关频率的不断提高，对快恢复二极管的要求也随z提高。众所周知， 碑化稼二极管具有比硅二极管优越的高频开关特性，但是由于工艺技术等方而的原因，碑化 镣二极管的耐压较低，实际应用受到局限。为适应高压、髙速、髙效率和低emi应用需要, 高压碑化镣高频整流二极管已在motorola公司研制成功。与硅快恢复二极管相比，这种新 型二极管的显著特点是：反向漏电流随温度变化小、开关损耗低、反向恢复特性好。碳化硅与碳化硅(sic )功率器件在用新型半导体材料制成的功率器件屮，最有希望的是碳化硅(sic)功率器件。 它的性能指标比碑化镣器件还要高一个数量级，碳化硅与其他半导体材料相比，具有下列优 异的物理特点：高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数和高 的热导率。上述这些优异的物理特性,决定了碳化硅在高温、高频率、髙功率的