1 引言

電力電子技術(shù)包括功率半導(dǎo)體器件與ic技術(shù)、功率變換技術(shù)及控制技術(shù)等幾個(gè)方面，其中電力電子器件是電力電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)，也是電力電子技術(shù)發(fā)展的“機(jī)車(chē)”?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)無(wú)論對(duì)改造傳統(tǒng)工業(yè)(電力、機(jī)械、礦冶、交通、化工、輕紡等)，還是對(duì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)(航天、激光、通信、機(jī)器人等)都至關(guān)重要，它已迅速發(fā)展成為一門(mén)獨(dú)立學(xué)科領(lǐng)域。它的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)工業(yè)部門(mén)，毫無(wú)疑問(wèn)，它將成為21世紀(jì)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)?！泵恳淮滦碗娏﹄娮悠骷某霈F(xiàn)，總是帶來(lái)一場(chǎng)電力電子技術(shù)的革命。從1958年美國(guó)通用電氣(ge)公司研制出世界上第一個(gè)工業(yè)用普通晶閘管開(kāi)始，電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機(jī)組和靜止的離子變流器進(jìn)入由電力電子器件構(gòu)成的變流器時(shí)代，這標(biāo)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(lái)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(dǎo)體復(fù)合器件,標(biāo)志著傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代。以功率器件為核心的現(xiàn)代電力電子裝置，在整臺(tái)裝置中通常不超過(guò)總價(jià)值的20%～30%，但是，它對(duì)提高裝置的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)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(chēng)作開(kāi)關(guān)器件，相當(dāng)于信號(hào)電路中的a/d采樣，稱(chēng)之為功率采樣，器件的工作過(guò)程就是能量過(guò)渡過(guò)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(lèi):
(1) 半控型器件-第一代電力電子器件
自從50年代，由美國(guó)通用電氣公司發(fā)明的硅晶閘管的問(wèn)世，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的開(kāi)端。此后，晶閘管(scr)的派生器件越來(lái)越多，到了70年代，已經(jīng)派生了快速晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、不對(duì)稱(chēng)晶閘管等半控型器件，電力電子器件的功率也越來(lái)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(yīng)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(qiáng)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(guó)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(dāng)?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(kāi)通和關(guān)斷，大大提高了開(kāi)關(guān)控制的靈活性。從70年代后期開(kāi)始，可關(guān)斷晶閘管(gto)、電力晶體管(gtr或bjt)及其模塊相繼實(shí)用化。在此后各種高頻率的全控型器件不斷問(wèn)世，并得到迅速發(fā)展。這些器件主要有: 電力場(chǎng)控晶體管(即功率mosfet)、絕緣柵極雙極晶體管(igt或igbt)、靜電感應(yīng)晶體管(sit)、靜電感應(yīng)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(gè)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(dòng)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(dāng)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(qiáng)型場(chǎng)控(電壓)復(fù)合器件，如圖1所示。它屬于少子器件類(lèi)，卻兼有了power mosfet和雙極性器件的優(yōu)點(diǎn): 高的輸入阻抗(容抗性質(zhì))、開(kāi)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(jìn)高頻電力電子技術(shù)發(fā)展的一種比較理想的基礎(chǔ)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(lái)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(xiàn)，提高了可靠性和減小了引線(xiàn)電感，缺點(diǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足電力電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需求，特別是在高壓領(lǐng)域許多應(yīng)用中，要求器件的電壓等級(jí)達(dá)到10kv以上。目前只能通過(guò)其它技術(shù)手段，比如依靠igbt高壓串聯(lián)應(yīng)用組件技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)它的高壓應(yīng)用。國(guó)外許多大的相關(guān)廠(chǎng)家都投入了大量的人力物力開(kāi)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(guó)的eupec生產(chǎn)的6500v/600a高壓大功率igbt器件已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用。日本的東芝公司也投入到開(kāi)發(fā)和研制新型高壓igbt器件的行列中。

圖2 abb公司開(kāi)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(fù)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(guò)mos器件的通斷來(lái)控制晶閘管的開(kāi)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(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率低和開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它還克服了晶閘管速度慢、不能自關(guān)斷和高壓mos場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通壓降大的缺點(diǎn)。這是mct被認(rèn)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(jì)80年代末期產(chǎn)生，雖然發(fā)展時(shí)間較短，但是mct在國(guó)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(dá)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(gè)mct并聯(lián)組成的模塊。
mct的應(yīng)用也達(dá)到了相當(dāng)高的水平，美國(guó)西屋公司報(bào)導(dǎo)了其采用mct開(kāi)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(yùn)行。據(jù)報(bào)導(dǎo) ，美國(guó)正計(jì)劃采用mct組成功率變流設(shè)備，建設(shè)高達(dá)500kv的高壓直流輸電hvdc設(shè)備。國(guó)內(nèi)的東南大學(xué)采用sdb鍵合特殊工藝在實(shí)驗(yàn)室制成了100ma/100v mct樣品; 西安電力電子技術(shù)研究所利用國(guó)外進(jìn)口厚外延硅片也試制出9a/300v mct 樣品。mct的研究與應(yīng)用正在全面展開(kāi)，實(shí)用化為期不遠(yuǎn)。

(3) igct-集成門(mén)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(dǎo)體器件。它的應(yīng)用使變流裝置在功率、可靠性、開(kāi)關(guān)速度、效率、成本、重量和體積等方面都取得了巨大進(jìn)展，給電力電子成套裝置帶來(lái)了新的飛躍。igct是將gto芯片與反并聯(lián)二極管和門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，再與其門(mén)極驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，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(dǎo)通期間發(fā)揮晶閘管的在導(dǎo)通期間晶閘管的性能，關(guān)斷階段呈類(lèi)似晶體管的特性。igct具有電流大、電壓高、開(kāi)關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、損耗低的特點(diǎn)。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(diǎn)，有極好的應(yīng)用前景。
采用晶閘管技術(shù)的gto是常用的大功率開(kāi)關(guān)器件，它相對(duì)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(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)gto驅(qū)動(dòng)技術(shù)造成不均勻的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程，需要高成本的dv/dt和di/dt吸收電路和較大功率的門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元，因而造成可靠性下降和價(jià)格較高的缺點(diǎn)。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(guó)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(kāi)關(guān)器件, 圖4為其開(kāi)發(fā)的一種型號(hào)的igct。由于其價(jià)格等因素, 目前, 國(guó)內(nèi)只有包括清華大學(xué)在內(nèi)的少數(shù)幾家科研院所在自己開(kāi)發(fā)的電力電子裝置中應(yīng)用了igct。

圖4 abb公司開(kāi)發(fā)的一種igct

(4) iect-電子注入增強(qiáng)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(shí)又是通過(guò)采取增強(qiáng)注入的結(jié)構(gòu)以實(shí)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。現(xiàn)已經(jīng)經(jīng)歷了實(shí)際應(yīng)用的初期階段，進(jìn)入了通過(guò)特性改良以實(shí)現(xiàn)更高性能為目標(biāo)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(yù)示著它是未來(lái)的重要發(fā)展方向。低損耗、高速動(dòng)作等基本的芯片性能會(huì)不斷提高自不必說(shuō)，6kv級(jí)的高耐壓化、有源柵驅(qū)動(dòng)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(dòng)以進(jìn)一步擴(kuò)大電流容量的巨大潛力。另外，通過(guò)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(diǎn)被寄予厚望。
由日本東芝開(kāi)發(fā)的iect(如圖5所示), 利用了“電子注入增強(qiáng)效應(yīng)”，使之兼有igbt和gto兩者的優(yōu)點(diǎn): 低的飽和壓降, 寬的安全工作區(qū)(吸收回路容量?jī)H為gto的1/10左右), 低的柵極驅(qū)動(dòng)功率(比gto低兩個(gè)數(shù)量級(jí))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(dá)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(guò)程如下: 首先將半導(dǎo)體器件mosfet、igbt或mct與二極管的芯片封裝在一起組成一個(gè)積木單元, 然后將這些積木單元迭裝到開(kāi)孔的高電導(dǎo)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(guò)表面貼裝將控制電路、門(mén)極驅(qū)動(dòng)、電流和溫度傳感器以及保護(hù)電路集成在一薄層絕緣層上, 如圖6所示, 為一個(gè)典型的電力電子模塊。ipem實(shí)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(xiàn)電感，提高了系統(tǒng)的效率。進(jìn)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(guó)政府、軍方及電力電子技術(shù)領(lǐng)域一些著名學(xué)者共同提出pebb的概念，可以說(shuō)pebb是在ipem的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。pebb是可以處理電能集成的器件或模塊。一個(gè)pebb并不是一種特定的半導(dǎo)體器件，一種無(wú)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(shè)計(jì)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(lái)很象一種典型的功率半導(dǎo)體模塊，但pebb包括的東西更多，除了功率半導(dǎo)體器件外，它還包括門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路、電平轉(zhuǎn)換、傳感器、保護(hù)電路、電源和無(wú)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(guò)這兩種接口，幾個(gè)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(jiǎn)單，也可以象大型的分布式電力系統(tǒng)一樣復(fù)雜。一個(gè)系統(tǒng)中pebb的數(shù)量可以從一個(gè)到所需要的任何數(shù)量。多個(gè)pebb模塊一道工作可以完成系統(tǒng)級(jí)的功能，例如電壓轉(zhuǎn)換，能量的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換，阻抗匹配等。在pebb的應(yīng)用中，有幾個(gè)特性非常重要，其中最重要的一點(diǎn)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(jī)械、熱力學(xué)架構(gòu)，最后的目標(biāo)是設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出適合各種應(yīng)用場(chǎng)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(dǎo)體材料，作為si等半導(dǎo)體材料的重要補(bǔ)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(duì)于公電輸送和電動(dòng)汽車(chē)等節(jié)能具有重要意義。美國(guó)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(méi)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(dǎo)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(huì)產(chǎn)生革命性的影響。在用這種新型半導(dǎo)體材料制成的功率器件，性能指標(biāo)比砷化鎵器件還要高一個(gè)數(shù)量級(jí)，碳化硅與其他半導(dǎo)體材料相比，具有下列優(yōu)異的物理特點(diǎn):高的禁帶寬度，高的飽和電子漂移速度，高的擊穿強(qiáng)度，低的介電常數(shù)和高的熱導(dǎo)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(yīng)用場(chǎng)合是極為理想的半導(dǎo)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(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通壓降，也比單極型、雙極型硅器件的導(dǎo)通壓將低得多。而且，sic器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間可達(dá)10ns量級(jí)，并具有十分優(yōu)越的fbsoa。
sic可以用來(lái)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(yīng)用于微波和射頻裝置。ge公司正在開(kāi)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?？梢灶A(yù)見(jiàn)，各種sic器件的研究與開(kāi)發(fā)，必將成為功率器件研究領(lǐng)域的主要潮流之一。但是，sic材料和功率器件的機(jī)理、理論、制造工藝均有大量問(wèn)題需要解決，它們要真正給電力電子技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)又一次革命，估計(jì)至少還需要十幾年的時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

電力電子器件的應(yīng)用已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活的各個(gè)方面，實(shí)際的需要必將極大地推動(dòng)器件的不斷創(chuàng)新。電力電子器件正進(jìn)入以新型器件為主體的新一代電力電子器件時(shí)代，它將基本上取代傳統(tǒng)器件。“一代器件決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(kāi)發(fā)以及關(guān)鍵技術(shù)突破，必然會(huì)促進(jìn)電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，從而促進(jìn)了以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)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(xiàn)
[1] 邵丙德. 電力電子技術(shù). 北京:中國(guó)鐵道出版社,1997
[2] 錢(qián)照明,呂征宇,何湘寧. 電力電子器件的最新發(fā)展.中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第七次全國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2000
[3] 劉文華,宋 強(qiáng),張東江. igct在大功率電壓源逆變器中的應(yīng)用. 電力電子,2004
[4] 趙爭(zhēng)鳴. 電子電機(jī)課程講義. 北京:清華大學(xué),2004
[5] steimer,p., apeldoorn,o., carroll,e.. igct devices-applications and future opportunities.power engineering society summer meeting,2000:16～20
[6] e.griebel, l.lorenz, m.purechel, "lightmos a new power semiconductor concept dedicated for lamp ballast application".ieee ias 2003 usa