一篇文章，读懂电力电子器件的历史与未来
本文简述了电力电子其器件的发展过程，并介绍了当今广泛使用的电力电子器件种类、工作原理、特点及应用。同时，对新材料驱动下的电力电子未来进行了展望。
从1958年美国通用电气（GE）公司研制出世界上第一个产业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进进由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。到了70年代，晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的系列产品。同时，非对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世，广泛应用于各种变流装置。由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响应快等优点，其研制及应用得到了飞速发展。
电力电子器件种类
由于普通晶闸管不能自关断，属于半控型器件，因而被称作第一代电力电子器件。在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断进步，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，先后出现了GTR、GTO、功率MOSET等自关断、全控型器件，被称为第二代电力电子器件。近年来，电力电子器件正朝着复合化、模块化及功率集成的方向发展，如IGPT、MCT、HVIC等就是这种发展的产物。
1，电力整流管
整流管产生于本世纪40年代，是电力电子器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管等三种主要类型。其中普通整流管的特点是：漏电流小、通态压降较高（1 0～1 8V）、反向恢复时间较长（几十微秒）、可获得很高的电压和电流定额。多用于牵引、充电、电镀等对转换速度要求不高的装置中。较快的反向恢复时间（几百纳秒至几微秒）是快恢复整流管的明显特点，但是它的通态压降却很高（1 6～4 0V）。它主要用于斩波、逆变等电路中充当旁路二极管或阻塞二极管。肖特基整流管兼有快的反向恢复时间（几乎为零）和低的通态压降（0.3～0.6V）的优点，不过其漏电流较大、耐压能力低，常用于高频低压仪表和开关电源。目前的研制水平为:普通整流管（8000V/5000A/400Hz）；快恢复整流管（6000V/1200A/1000Hz）；肖特基整流管（1000V/100A/200kHz）。电力整流管对改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和进步电源使用效率等方面都具有非常重要的作用。随着各种高性能电力电子器件的出现，开发具有良好高频性能的电力整流管显得非常必要。目前，人们已通过新奇结构的设计和大规模集成电路制作工艺的运用，研制出集PIN整流管和肖特基整流管的优点于一体的具有MPS、SPEED和SSD等结构的新型高压快恢复整流管。它们的通态压降为1V左右，反向恢复时间为PIN整流管的1/2，反向恢复峰值电流为PIN整流管的1/3。
2，晶闸管及其派生器件
晶闸管诞生后，其结构的改进和工艺的改革，为新器件的不断出现提供了条件。 1964年，双向晶闸管在GE公司开发成功，应用于调光和马达控制；1965年，小功率光触发晶闸管出现，为其后出现的光耦合器打下了基础； 60年代后期，大功率逆变晶闸管问世，成为当时逆变电路的基本元件； 1974年，逆导晶闸管和非对称晶闸管研制完成。普通晶闸管广泛应用于交直流调速、调光、调温等低频（400Hz以下）领域，运用由它所构成的电路对电网进行控制和变换是一种简便而经济的办法。不过，这种装置的运行会产生波形畸变和降低功率因数、影响电网的质量。目前水平为12kV/1kA和6500V/4000A。双向晶闸管可视为一对反并联的普通晶闸管的集成，常用于交流调压和调功电路中。正、负脉冲都可触发导通，因而其控制电路比较简单。其缺点是换向能力差、触发灵敏度低、关断时间较长，其水平已超过2000V/500A。光控晶闸管是通过光信号控制晶闸管触发导通的器件，它具有很强的抗干扰能力、良好的高压尽缘性能和较高的瞬时过电压承受能力，因而被应用于高压直流输电（HVDC）、静止无功功率补偿（SVC）等领域。其研制水平大约为8000V/3600A。逆变晶闸管因具有较短的关断时间（10～15s）而主要用于中频感应加热。在逆变电路中，它已让位于GTR、GTO、IGBT等新器件。目前，其最大容量介于2500V/1600A/1kHz和800V/50A/20kHz的范围之内。非对称晶闸管是一种正、反向电压耐量不对称的晶闸管。而逆导晶闸管不过是非对称晶闸管的一种特例，是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。与普通晶闸管相比，它具有关断时间短、正向压降小、额定结温高、高温特性好等优点，主要用于逆变器和整流器中。目前，国内有厂家生产3000V/900A的非对称晶闸管。
3，门极可关断晶闸管（GTO）
1964年，美国第一次试制成功了500V/10A的GTO。在此后的近10年内，GTO的容量一直停留在较小水平，只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进行试用。自70年代中期开始，GTO的研制取得突破，相继出世了1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A的产品，目前已达9kV/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。GTO有对称、非对称和逆导三种类型。与对称GTO相比，非对称GTO通态压降小、抗浪涌电流能力强、易于进步耐压能力（3000Ｖ以上）。逆导型GTO是在同一芯片上将GTO与整流二极管反并联制成的集成器件，不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中。在当前各种自关断器件中，GTO容量最大、工作频率最低（1～2kHz）。GTO是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流； GTO通态压降大、dV/dT及di/dt耐量低，需要庞大的吸收电路。目前，GTO固然在低于2000V的某些领域内已被GTR和IGRT等所替换，但它在大功率电力牵引中有明显上风；今后，它也必将在高压领域占有一席之地。
4，大功率晶体管（GTR）
GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，产生于本世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。
5，功率MOSFET
功率MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的，因而它的一个明显特点是驱动电路简单、驱动功率小；仅由多数载流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达100kHz以上，为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合；没有二次击穿题目，安全工作区广，耐破坏性强。功率MOSFET的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。
6，尽缘门极双极型晶体管（IGBT）
IGBT是由美国GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，当时容量仅500V/20A，且存在一些技术题目。经过几年改进，IGBT于1986年开始正式生产并逐渐系列化。至90年代初，IGBT已开发完成第二代产品。目前，第三代智能IGBT已经出现，科学家们正着手研究第四代沟槽栅结构的IGBT。IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使IGBT导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使IGBT因流过反向门极电流而关断。IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输进阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。它的研制成功为进步电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。比较而言，IGBT的开关速度低于功率MOSFET，却明显高于GTR；IGBT的通态压降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；IGBT的电流、电压等级与GTR接近，而比功率MOSFET高。目前，其研制水平已达4500V/1000A。由于IGBT具有上述特点，在中等功率容量（600V以上）的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中，IGBT已逐步替换GTR成为核心元件。另外，IR公司已设计出开关频率高达150kHz的WARP系列400～600VIGBT，其开关特性与功率MOSFET接近，而导通损耗却比功率MOSFET低得多。该系列IGBT有看在高频150kHz整流器中取代功率MOSFET，并大大降低开关损耗。IGBT的发展方向是进步耐压能力和开关频率、降低损耗以及开发具有集成保护功能的智能产品。
7，MOS控制晶闸管（MCT）
MCT最早由美国GE公司研制，是由MOSFET与晶闸管复合而成的新型器件。每个MCT器件由成千上万的MCT元组成，而每个元又是由一个PNPN晶闸管、一个控制MCT导通的MOSFET和一个控制MCT关断的MOSFET组成。MCT工作于超掣住状态，是一个真正的PNPN器件，这正是其通态电阻远低于其它场效应器件的最主要原因。MCT既具备功率MOSFET输进阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是IGBT或GTR的1/3，而开关速度则超过GTR。此外，由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面积通断，故MCT具有很强的导通di/dt和阻断dV/dt能力，其值高达2000A/ s 和2000V/ s。其工作结温亦高达150～200℃。 已研制出阻断电压达4000V的MCT，75A/1000VMCT已应用于串联谐振变换器。随着性能价格比的不断优化，MCT将逐渐走进应用领域并有可能取代高压GTO，与IGBT的竞争亦将在中功率领域展开。
8，功率集成电路（PIC）
PIC是电力电子器件技术与微电子技术相结合的产物，是机电一体化的关键接口元件。将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，就制成了PIC。一般以为，PIC的额定功率应大于1W。功率集成电路还可以分为高压功率集成电路（HVIC）、智能功率集成电路（SPIC）和智能功率模块（IPM）。HVIC是多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路在单片上的集成，由于它的功率器件是横向的、电流容量较小，而控制电路的电流密度较大，故常用于小型电机驱动、平板显示驱动及长途电话通讯电路等高电压、小电流场合。已有110V/13A和550V/0.5A、80V/2A/200kHz以及500V/600mA的HVIC分别用于上述装置。SPIC是由一个或几个纵型结构的功率器件与控制和保护电路集成而成，电流容量大而耐压能力差，适合作为电机驱动、汽车功率开关及调压器等。IPM除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故障监测电路，并可将监测信号传送至CPU，以保证IPM自身在任何情况下不受损坏。当前，IPM中的功率器件一般由IGBT充当。由于IPM体积小、可靠性高、使用方便，故深受用户喜爱。IPM主要用于交流电机控制、家用电器等。已有400V/55kW/20kHzIPM面市。自1981年美国试制出第一个PIC以来，PIC技术获得了快速发展；今后，PIC必将朝着高压化、智能化的方向更快发展并进进普遍实用阶段。
新材料驱动电力电子器件未来
以上所述各种电力电子器件一般都是由硅（Si）半导体材料制成的。除此之外，近年来还出现了很多性能优良的新型化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）、磷化铟（InP）及锗化硅（SiGe）等。由它们作为基础材料制成的电力电子器件正不断涌现。
1，砷化镓材料
GaAs是一种很有发展远景的半导体材料。与Si相比，GaAs有两个独特的优点：①禁带宽度能量为1.4eV，较Si的1.1eV要高。正因如此，GaAs整流元件可在350℃的高温下工作（Si整流元件只能达200℃），具有很好的耐高温特性，有利于模块小型化；②GaAs材料的电子迁移率为8000cm2/Vs，是Si材料的5倍，因而同容量的器件几何尺寸更小，从而可减小寄生电容，进步开关频率（1MHz以上）。 当然，由于GaAs材料禁带宽度大，也带来正向压降比较大的不利因素，不过其电子迁移率可在一定程度上补偿这种影响。GaAs整流元件在Motorola公司的一些老用户中间，广泛用于制作各种输出电压（12V、24V、36V、48V）的DC电源，用于通讯设备和计算机中。预计，随着200V耐压GaAs整流器件生产工艺技术的改进，器件将获得优化，应用领域将会不断扩大。
2，碳化硅材料
SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，作为Si和GaAs的重要补充，可制作出性能更加优异的高温（300～500℃）、高频、高功率、高速度、抗辐射器件。SiC高功率、高压器件对于公电输运和电动汽车的节能具有重要意义。
已用SiC材料制作出普通晶闸管、双极晶体管（BJT）、IGBT、功率MOSFET（175V/2A、600V/1 8A）、SIT（600MHz/225W/200V/fmax=4GHz）、PN结二极管（300K温度下耐压达4 5kV）和肖特基势垒二极管（300K温度下耐压达1kV），广泛运用于火车机头、有轨电车、产业发电机和高压输电变电装置中。
3，磷化铟材料
InP是一种ⅢⅤ族化合物半导体材料，是继Si和GaAs之后的新一代电子功能材料。它具有更高的击穿电场、更高的热导率、高场下更高的电子均匀速度，且表面复合速率比GaAs低几乎3个数目级，使得InPHBT可在低电流下工作，可作为高速、高频微波器件的材料，频率可达340GHz。
4，锗化硅材料
据报道，德国TenicTelefunkenMicroelectronic公司计划于1998年一季度开始批量生产无线应用的SiGe芯片，其截止频率为50GHz～110GHz。这标志着SiGe器件正式进进应用领域。电力电子器件的应用已深进到产业生产和社会生活的各个方面，实际的需要必将极大地推动器件的不断创新。微电子学中的超大规模集成电路技术将在电力电子器件的制作中得到更广泛的应用；具有高载流子迁移率、强的热电传导性以及宽带隙的新型半导体材料，如砷化镓、碳化硅、人造金刚石等的运用将有助于开发新一代高结温、高频率、高动态参数的器件。从结构看，器件将复合型、模块化；从性能看，发展方向将是进步容量和工作频率、降低通态压降、减小驱动功率、改善动态参数和多功能化；从应用看，MPS电力整流管、MOSFET、IGBT、MCT是最有发展远景的器件。今后研制工作的重点将是进一步改善MPS的软反向恢复特性，进步IGBT和MCT的开关频率和额定容量，研制智能MOSFET和IGBT模块，发展功率集成电路以及其它功率器件。GTO将继续在超高压、大功率领域发挥作用；功率MOSFET在高频、低压、小功率领域具有竟争上风；超高压（8000V以上）、大电流普通晶闸管在高压直流输电和静止无功功率补偿装置中的作用将会得到延续，而低压普通晶闸管和GTR则将逐步被功率MOSFET（600V以下）和IGBT（600V以上）所代替； MCT最具发展前途。可以预见，电力电子器件的发展将会日新月异，电力电子器件的未来将布满生机。
