电力电子这个新兴的行业在随着我们国家经济的发展以及科技水平的提高等原因已经发展成了一个在当今社会起着很重要作用的行业，同时，电力电子器件又被成为功率半导体，是用于电能转换和电能控制的电子器件。电力电子器件的发展时间并不长，但是至今已经发展出多个种类的产品，电力电子器件中使用最广泛也是结构最简单的产品是整流管。

电力电子器件中最早为人们所应用的产品是普通晶闸管，这个产品是由美国通用电气公司在1958年时研制并投产的，最早的晶闸管在结构功能上尚无法与现在相比，但是它却为之后的电力电子器件发展奠定了基础，在其之后十年开发出的新型晶闸管产品到现在都还在使用。

电力电子器件在1964年时迎来了又一位家族成员，可关断的GTO。GTO的研制也是由美国公司完成的，GTO的特点是具有电力电子器件中最大的容量，不过相应的工作频率也是最低，当然低工作频率并不能影响GTO在大功率电力牵引驱动方面的优势。

电力电子器件的研究到了二十世纪七十年代有了又一成果GTR系列产品。GTR的产品特点是组成电路灵活成熟、开关时损耗小时间短，它迅速占领了中等容量和中等频率的电路，得到了广泛的应用。

电力电子器件中，绝缘栅型双极性晶体管IGBT是研发时间较短的产品之一，它的特点是输入阻抗较大而驱动功率较小，且开关损耗低、工作频率高。IGBT一经问世就获得了使用者的认可，有着非常巨大的发展空间。

电力电子器件的最新产品是在GTO基础上发展起来的IGCT，这种电力电子器件也被称为是集成门极换流晶闸管或发射极关断晶闸管，它具备瞬间开关频率高、开关时间短、阻断电压高等特点，也具有极大的发展潜力。

2 电力电子器件的发展过程 2.1 半控型器件 上世纪50年代,美国通用电气公司发明了世界上第一只硅晶闸管(SCR),标志着电力电子技术的诞生。此后,晶闸管得到了迅速发展,器件容量越来越大,性能得到不断提高,并产生了各种晶闸管派生器件,如快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。但是,晶闸管作为半控型器件,只能通过门极控制其开通,不能控制其关断,要关断器件必须通过强迫换相电路,从而使整个装置体积增加,复杂程度提高,效率降低。另外,晶闸管为双极型器件,有少子存储效应,所以工作频率低,一般低于400 Hz.由于以上这些原因,使得晶

闸管的应用受到很大限制。 虽然晶闸管有以上一些缺点,但由于它的高电压、大电流特性,使它在高压直流输电、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等方面的应用仍占有十分重要的地位。预计在今后若干年内,晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。

2.2 全控型器件 随着半导体技术的不断发展,电力电子器件从早期的小功率、半控型、低频器件发展为现在的大功率、全控型、高频器件。从上世纪70年代后期开始,GTO、GTR器件及模块相继实用化。此后,各种高频全控型器件不断问世,并得到迅速发展,如IGBT、MOSFET、IGCT、MCT器件等,这些器件的产生和发展,形成了新型全控型电力电子器件的大家族。

2.2.1 大功率晶体管 大功率晶体管(GiantTransistor—GTR)也称巨型晶体管,是三层结构的双极全控型大功率高反压晶体管,它具有自关断能力,控制十分方便,并有饱和压降低和比较宽的安全工作区等优点,在许多电力变流装置中得到应用。GTR是一种电流控制型器件,所需驱动功率较大,驱动电路较复杂,且由于其固有的“二次击穿”问题,其安全工作区受各项参数影响而变化,所以GTR存在热容量小、过流能力低等缺点。目前,GTR已经基本被GTO取代。

2.2.2 可关断晶闸管 GTO(Gate TurnOffThyristor)是上个世纪60年代初问世的,在此后的三四十年内得到了很大的发展,至今仍是重要的电力半导体器件。传统GTO的基本结构与普通晶闸管一样,也是4层3端结构,它几乎具有晶闸管的全部优点。但它的门极不仅具有普通晶闸管控制阴阳极主回路导通的能力,而且当在门极上施加负电压时,能使处于导通状态的晶闸管转变为关断状态,重新恢复阻断能力,实现门极关断,为全控型器件。为了改善关断特性,GTO器件均采用多个子器件并联的方式,即在同一硅片上,制作成千上万个细小的GTO子器件,它们有共同的门极,阴极相互分开独立,采用适当的封装结构,将这些子器件并联在一起,器件外观和大功率普通晶闸管完全一样。传统GTO器件存在固有的缺陷,如GTO的最大可关断阳极电流与加在门极的负脉冲电流有关,二者之比为GTO的电流关断增益。另外,传统GTO的电流关断增益只有3-5,而GTO在关断过程中,各子器件关断不均匀,很可能造成关断过程拖尾时间长,电流甚至集中在某些子器件上,这种电流局部集中现象称为电流的

“挤流效应”。“挤流效应”的存在将导致器件局部热点的产生,严重时会使GTO器件被烧毁。这些都限制了GTO的应用范围。但是GTO所具有的高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量等优点,使它在高压、大功率牵引、工业和电力逆变器中得到广泛应用。 目前,GTO的最高研究水平为6in、6 KV/6 KA以及9KV/10KA。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,近期可能开发10KA/12 KV的GTO,并且要解决多个高压GTO的串联技术,这样有望使电力电子技术在电力系统中的应用再上一个台阶。

2.2.3 电力场效应晶体管 电力场效应晶体管分为两种类型,结型和绝缘栅型,其工作原理与普通MOSFET一样。通常所说的是绝缘栅型中的MOS型(Metal Oxide Semicon ductor FET),简称电力P-MOSFET(Power MOSFET),P-MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流,它的显著特点是驱动电路简单,驱动功率小,P-MOSFET为单极型器件,开关速度快,工作频率高,是目前所有电力电子器件中工作频率最高的器件,其工作频率可达MHz,但是P-MOSFT通态电阻大,器件导通时压降大,使得器件电流容量小,耐压低,其常用于高频、小功率的电力电子装置中。

 2.2.4 绝缘栅极双极型晶体管 绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)是RCA公司和GE公司1982年为了解决MSOFET在高压下存在的导通电阻大的问题而开发的,并于1986年开始正式生产并逐渐系列化.它是一种复合型器件,可看做是MOS输入的达林顿管。IGBT一经问世,即得到飞速发展,目前是新型电力电子器件的主流器件之一。 IGBT在性能上兼有双极型器件和MOS器件的优点,其特点是栅极为电压驱动,驱动电路简单,所需驱动功率小,开关损耗小,工作频率高,承受电压较高,载流密度大,通态压降小,热稳定性好,没有“二次击穿”问题,安全工作区大,不需要缓冲电路。IGBT的不足之处在于高压IGBT的导通电阻较大,导致导通损耗大,在高压应用领域,通常需要多个串联,并且过压、过流、抗冲击、抗干扰等承受能力较低。

IGBT自问世以来,其工艺技术和参数不断得到改进和提高,已由低功率IGBT发展到了IGBT功率模块,其电性能参数日趋完善。目前IGBT的制造水平除低压(1700V/1200A)外,已开发出高压IGBT,可达3.3 KV/1.2KA或4.5 KV/0.9 KA的水平,器件工作频率可达几百KHz。 在IGBT的技术开发中,随着制造技术的提高,精细加工成为可能。目前,IGBT有以下一些新进展。