电力电子器件综述

电力电子器件是电力电子技术的基础和核心。电力电子技术的不断拓扑和发展都是围绕着各种新型电力电子器件的诞生和完善进行的。“一代电力电子器件带动一代电力电子技术应用”是业界人士普遍的共识，可见其重要。电力电子技术就是一种采用电力电子器件进行功率变换和控制的技术。

由于电力电子学是以电力(Power)为对象的电子学，因此电力电子器件与微电子器件的区别是“服务对象”不同而导致其功能不同，但都是以半导体材料为基板制作成的电子器件。

电力电子技术的特征是高效和节能，这主要是电力电子器件一般工作在较理想的开关状态，其特点是：导通时压降很低;关断时漏电流很低。由此可以知道器件本身的功耗与它所控制的功率相比是非常小的，一般可以忽略不计。

1 电力电子器件发展过程

做电力电子器件所用的材料有锗、硅和碳化硅。锗在上世纪70年代已经基本不用了，目前绝大部分电力电子器件是采用硅材料做出的。碳化硅是一种潜力较大的电力电子器件材料，目前正在发展之中。

电力电子器件有近60年的历史，比起一些传统产业，如发电、电机、机床等行业还是比较“年轻”。但它的发展速度很快，在一些具有里程碑意义的电力电子器件诞生之后，在自动化、传感电子和信息技术的配合下，在工业界掀起了一场又一场的“革命”。可以说是电力电子器件带着电力电子技术走进了千家万户，走进了国民经济的许多领域。

在半导体器件出现以前，电子器件主要是真空管和离子管等。1902年Hewitt发明了玻壳汞弧整流二极管;1911年Scohafer发展为铁壳汞弧整流二极管。由于Langmuir发表了等离子理论，导致Holl在1929年发明了热阴极三极放电管。1948年，在美国贝尔实验室诞生了世界上第一个锗晶体管，开创了半导体器件的新纪元。半导体器件无需灯丝加热，其损耗极低，寿命远远高于电子管。

1956年贝尔实验室发表了有关信号电平用的pnpn型开关。1958年，着眼于电力应用的美国通用电气(GE)公司率先研制出世界上第一个可控硅整流元件(SCR_Silicon Controlled Rectifier)。此后，人们将这种四层pn结和三端结构的半导体器件称为晶体闸流管(Thyristor)，简称晶闸管。晶闸管是电力电子器件中的代表性器件，到目前为至，已有数百种不同结构的电力电子器件。由于器件结构的变化，导致了器件的外特性不尽相同，而电力电子应用工程师们将它们巧妙地用在了不同的工业控制装置中，使得这些装置广泛应用在不同的工业领域，促进和推动了国民经济的发展。

随着晶闸管的出现，电子学进入了强电领域，并显示出它的强劲的生命力。在上世纪70年代初期，晶闸管基本取代了维护困难的汞弧管。

上世纪七十年代是晶闸管统治电力电子器件的全盛时代，到了八十年代，晶闸管的发展已完全成熟。而九十年代，作为中小功率用的逆变器件，逐步让位于工作频率较高的门极可关断晶闸管(GTO)、大功率晶体管(GTR)、功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等，当然，还有SIT、SITH、MCT等器件也出现在人们面前。在许多传统的相控整流领域，开始逐步被开关整流所取代。但在大功率范畴，双极性器件仍明显占主导地位。

由于电力电子技术的应用领域不断拓展和深入，对电力电子器件的性能有了新的要求，这样一些新型电力电子器件不断涌现。这些器件有的是在GTO、功率MOSFET 、IGBT的基础上对内部结构进行一定的改良，有的是将电力电子器件与其他器件或电路进行物理上的组合，如：集成门极换向晶闸管(IGCT)、电子注入增强栅晶体管(IEGT)、集成电力电子模块(IPM)、电力电子组合模块(PEBB)等。

2 电力电子器件的几个重要概念

电力电子器件是一种大功率的半导体器件，它的基本工作原理与其他半导体类似，都基于半导体物理，如载流子的工作机理、空间电荷区、能级理论等。但是电力电子器件一般是工作在大电流和高电压下，因此就会有一系列特殊的物理过程和性能，这些性能对电力电子器件的拓扑和演变是非常重要的，下面简单介绍几个重要概念。

双极型器件和单极型器件 依靠多数载流子和少数载流子(电子和空穴)同时进行导电的半导体器件称为双极型器件，像普通整流管、普通晶闸管、快速晶闸管、GTO、IGCT、IGBT等等。仅依靠多数载流子(电子或空穴)进行导电的半导体器件称为单极型器件，如功率MOSFET和静态感应型等电力电子器件。由于单极型器件没有少子参与导电，因此在器件关断期间没有少子的恢复过程，所以单极型器件的开关速度远远高于双极型器件。

但是单极型器件没有像双极型器件具有电导调制作用，因此通态压降较大，电流密度较小。一般情况下，通态电流在100A以上，电压在600V以上，就是双极型电力电子器件的天下了。

空间电荷区 在一块半导体中，如果一部分是N型半导体，一部分是P型半导体，那么他们的交界面，就叫PN结。在PN结两侧的电子和空穴的浓度梯度是不同的，因此发生了相互扩散。扩散结果，就在PN结两侧的形成一个带相等正、负电荷的区域，我们称这个区域为空间电荷区。

空间电荷区中的载流子浓度和电荷区的宽度将随外加电压的大小会产生变化。空间电荷区就像一堵“墙”，墙越厚，则器件的耐压就越高。

少子寿命 半导体分为N型半导体和P型半导体。一般定义为依靠电子导电的半导体称为N型半导体;而依靠空穴导电的半导体称为P型半导体。在N型半导体中虽电子为多数载流子(多子)，但也存在少量空穴，我们称这些少量的载流子为少子;同理，在P型半导体中，电子为少子。

在任何时候，电子和空穴总是在不断地产生和复合。产生率和复合率相等，则为热平衡。一旦外界打破这种热平衡，如外加电压、光照等，则载流子的数量要高于在热平衡状态下的数量。如果外界因素消失，则载流子则经过一段复合的时间又恢复到热平衡状态，这段时间我们称恢复时间，少子寿命是描述少数载流子恢复时间的一个重要参数。

半导体中的少子寿命是可以人为控制的，对于不同用途的电力电子器件，它的少子寿命不同。少子寿命越短，器件的开关速度越快，像GTO、IGCT等，开关速度比普通晶闸管要快的多。

电导调制

电导调制作用是双极型晶闸管类电力电子器件所独有的工作机理，它的好处使通态电压降低。在器件导通后，P区的空穴和N区的电子大量涌入基区，这使基区的载流子浓度大大增加，基区的导电能力大大提高，即基区电阻率大大降低了，也就是说基区的电导被调制了。

当器件电压提高，所需的硅片电阻率和厚度就要增加，通态压降也就随之增加。有了电导调制效应，器件的正向压降就不会增加太多。

1电力电子器件的一般特征

(1)处理电功率的能力大

(2)工作在开关状态

(3)需要由信息电子电路来控制

(4)需要安装散热器

2电力电子器件的分类

2.1按器件被控程度分类

按照器件控制信号的控制程度，电力电子器件可分为以下三类：

(1)不可控器件。这类器件一般为两端器件，一端是阳极，另一端是阴极。与电子电路中的二极管一样，具有单向导电性。其开关操作仅取决于其在主电路 中施加在阳、阴极间的电压和流过它的电流，正向电压使其导通，负向电压使其关断，流过它的电流是单方向的。不可控器件不能用控制信号来控制电流的通断，因 此不需要驱动电路。这类器件就是功率二极管(PowerDiode)。

(2)半控型器件。这类器件是三端器件，除阳极和阴极外，还增加了一个控制门极。半控型器件也具有单向导电性，但开通不仅需在其阳、阴极间施加正向 电压，而且还必须在门极和阴极间施加正向控制电压。门极和阴极间的控制电压仅控制其开通而不能控制其关断，器件的关断是由其在主电路中承受的电压和电流决 定的。这类半控型器件是指晶闸管(Thyris-tor)及其大部分派生器件。

(3)全控型器件。这类器件也是带有控制端的三端器件，其控制端不仅可以控制其开通，还能控制其关断。这类器件很多，包括门极关断晶闸管 (GTO)、功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(功率MOS-FET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)。目前常用的是功率MOSFET和IGBT。

2.2按控制信号的性质分类

按照控制信号的性质，电力电子器件可分为以下两类：

(1)电流驱动型器件。驱动信号加在器件控制端和公共端之间，通过从控制端注入或抽出电流来实现器件的导通或者关断的控制，这类电力电子器件称为电流驱动型器件或称为电流控制型器件。

(2)电压驱动型器件。通过施加在控制端和公共端之间的电压信号来实现器件的导通或者关断的控制，这类电力电子器件称为电压驱动型器件或称为电压控制型器件。

2.3按参与导电的情况分类按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，电力电子器件可分为三类：

(1)由一种载流子参与导电的器件称为单极型器件;

(2)由电子和空穴两种载流子参与导电的器件称为双极型器件;

(3)由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件称为复合型器件。

3电力电子器件的发展历程

电力电子器件的发展，可分为以下四个阶段：

第一阶段是以整流管、晶闸管为代表的发展阶段。这一阶段的电力电子器件在低频、大功率变流领域中的应用占有优势，取代了早先的汞弧整流器。1947 年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，功率二极管开始应用于电力领域，1956年贝尔实验室又发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司开发出世界上第一 只晶闸管器件，开创了传统的电力电子器件应用技术阶段，实现了弱电对强电的控制，在工业界引起了一场技术革命。晶闸管的迅速发展使得中大功率的各种变流装 置和电动机传动系统得到了快速发展。但关断这些器件的控制电路存在体积大、效率低、可靠性差、工作频率低以及电网侧和负载上谐波严重等缺点。

第二阶段是20世纪70年代后期以GTO、GTR和功率MOSFET等全控型器件为代表的发展阶段。这一阶段的电力电子器件开关速度高于晶闸管，它们的应用使变流器的高频化得以实现。

第三阶段是20世纪80年代后期以IGBT复合型器件为代表的发展阶段。IGBT是功率MOSFET和GTR的复合。功率MOSFET的特点是驱动功率小、开关速度快;GTR的特点是通态压降小、载流能力大。IGBT的优越性能使之成为电力电子器件应用技术的主导器件。

第四阶段是以PIC、HVIC等功率集成电路为代表的发展阶段。高速、全控型、大电流、集成化和多功能的电力电子器件先后问世，开创了现代电力电子 集成器件的新阶段。这一阶段，所使用的电力电子器件是将全控型电力电子器件与驱动电路、控制电路、传感电路、保护电路、逻辑电路等集成在一起的高度智能化 PIC，它实现了器件与电路、强电与弱电、功率流与信息流的集成，成为机和电之间的智能化接口、机电一体化的基础单元。国内外电力电子器件的最新研制水平 见表2。

4电力电子器件的应用与展望

电力电子器件的应用是电力电子技术的一部分。电力电子器件的应用技术称为变流技术，它包括用电力电子器件构成各种电力电子电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。

4.1变流技术的分类

(1)AC/DC变换。把交流电压变换成固定或可调的直流电压称为整流。这类变换装置通常称为整流器。

(2)DC/AC变换。把直流电变换成频率固定或可调的交流电称为逆变。这类变换装置通常称为逆变器。按电源性质可分为电压型逆变和电流型逆变，按控制方式可分为方波逆变、PWM型逆变和谐振型(软开关)逆变，按换相性质可分为靠电网换相的有源逆变和自关断的无源逆变。

(3)AC/AC变换。把一种形式的交流电变换成频率、电压可调或固定的另一种形式的交流电，只对电压、电流或对电路的通断进行控制而不改变频率的称为电力控制，改变频率的称为变频控制。

(4)DC/DC变换。把固定的直流电压(或电流)变换成可调或恒定的另一种直流电压(或电流)，称为斩波。DC/DC变换广泛应用于计算机电源、 各类仪器仪表、直流电动机调速及金属焊接等。谐振型软开关技术是DC/DC变换的发展方向，该技术可减小变换器体积、质量，提高可靠性，并有效解决开关损耗问题。

4.2电力电子器件的应用

近年来，由于电力电子变流技术的迅猛发展，已经成为其他工业技术发展的重要基础。电力电子器件不仅应用于电力系统，也广泛应用于工业、交通运输、通信系统、计算机系统、新能源系统;还应用于照明、空调等家用电器中，可概括为以下几个领域：

(1)电力系统。为了控制和改善供电质量，发电厂发出的交流电必须经过电力电子装置的处理后送到用户端，没有电力电子器件的应用，就没有电力系统的 现代化。从技术层面来讲，电力市场的引入将产生对电力品质的改善装置，如不间断电源(UPS)、静止无功补偿装置(SVC)、静止无功发生器(SVG)、 动态电压恢复器(DVR)、电力有源滤波器(APF)、限流器、电力储能装置、微型燃气发电机(MicroCasTurbo)等新需求;再生能源、环保发电技术等分散发电将需要交直流变流装置。

(2)新能源利用与环境保护。电力电子器件装置还用于太阳能发电、风力发电装置与电力系统的联网，以及太阳能发电与风力发电电能的改善。现代社会对 环境造成了严重的污染，温室气体的排放引起了国际社会的关注。我国改革开放以来能源消费量急剧上升，二氧化碳排放量也有较大增加。我国十分重视再生能源的 开发，2006年我国实施了《再生能源法》。光伏、风力、燃料电池等新能源发电技术推动电力电子技术的应用，并形成电力电子技术的巨大市场。 (3)混合动力汽车。由于电力电子器件应用技术的迅速发展，交流电动机的调速性能可以和直流电动机相媲美。在工业电动机的控制中，交流调速、直流调速以及节能和软起动 都是通过电力电子器件实现的。

(4)交通运输。铁道电气化、电力机车控制、磁悬浮列车的使用都离不开电力电子器件，高级汽车中许多电机的控制是靠变频或斩波实现的。电动汽车的电动机控制和蓄电池充电也是靠电力电子装置实现，飞机、船舶、电梯等都离不开电力电子装置。

(5)电源。不间断电源、电解电源、电镀电源、开关电源、微机及仪器仪表电源、航空电源、通信电源、交流电子稳压电源、脉冲功率电源、动力牵引及传动控制用电源都是靠变流技术实现的。

(6)家用电器。用于家庭照明的LED节能灯，体积小、发光效率高、节省能量多，这是通过电力电子器件把交流电转换成电力电子照明电源来实现的。此外，变频空调、电视机、音响、洗衣机、电冰箱、微波炉、计算机等都离不开电力电子器件的应用。

总之，电力电子技术已经渗透到现代社会的各个方面，其应用涉及航天、国防、工农业生产、交通、文教卫生、办公自动化及家用电器等各个领域。电力电子 器件的应用与国民经济和日常生活、工作息息相关。未来90%的电能均需通过电力电子处理后再加以利用，以便提高能源利用效率、提高工业生产效率、实现再生 能源的最大利用。电力电子技术将在21世纪为建设一个节能、环保、和谐的社会发挥重要作用。