电力电子器件及其应用的现状和发展

　　摘要：电力电子是现代科学、工业和国防的重要支撑技术，功率器件是电力电子技术的核心和基础，其应用是电力电子技术发展的驱动力。该文对现代电力电子器件，特别是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)功率器件及当前电力电子应用装置/系统的诸多热点问题(绿色能源应用、电动汽车、LED照明)的现状和发展前景进行简要的综述。

　　关键词：碳化硅功率器件；氮化镓功率器件；绿色能源应用；电动汽车；LED照明；现状和发展前景

　　0、引言

　　电力电子器件及其应用装置已日益广泛地应用和渗透到能源、交通运输、环境、先进装备制造、激光、航空航天及航母、舰船、坦克、第5代战机、激光炮、电磁炮等诸多现代化国防武器装备重要领域，这与近30多年来电力电子器件与电力电子技术的飞速发展和电力电子的重要作用密切相关。二次大战后，特别是20世纪80年代以后，电子技术(包括：半导体、微电子技术；计算机、通信技术；电力电子技术等)的飞速发展，给世界科学技术、经济、文化、军事等各方面带来了革命性的影响。概括地说，电子技术包含两大部分：信息电子技术(包括：微电子、计算机、通信等)是实施信息传输、处理、存储和产生控制指令；电力电子技术是实施电能的传输、处理、存储和控制，它不但要保障电能安全、可靠、高效和经济地运行，而且还要将能源与信息高度地集成在一起。如果用人体组成来比喻的话，信息电子相当于人的大脑和神经中枢，负责思考和指挥；而电力电子则相当于人体的心血管系统和四肢，负责为人体活动提供能量和承担执行的功能，两者缺一不可，不可能互相代替。

　　事实表明，无论是电力、机械、矿冶、交通、石油、能源、化工、轻纺等传统产业，还是通信、激光、机器人、环保、原子能、航天等高技术产业，都迫切需要高质量、高效率的电能。而电力电子正是将各种一次能源高效率地变为人们所需的电能。它是实现节能环保和提高人民生活质量的重要手段，它已经成为弱电控制与强电运行之间、信息技术与先进制造技术之间、传统产业实现自动化、智能化改造和兴建高科技产业之间不可缺少的重要桥梁。所以，电力电子是我国国民经济的重要基础技术，是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。

　　时至今日，无论高技术应用领域还是传统产业，特别是我国一些重大工程(三峡、特高压、高铁、西气东输等)，乃至照明、家电等量大面广的与人民日常生活密切相关的应用领域，电力电子产品已经无所不在，能量的合理利用，电气系统的微型化及电源智能管理促进了电力电子近50年的革命性发展。而新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。电力电子器件就好像现代电力电子装置的心脏，虽然它在整台装置中的价值通常不会超过总价值的20%~30%，但是，它对装置的总价值，尺寸、重量、动态性能，过载能力，耐用性及可靠性等，起着十分重要的作用。因此，新型电力电子器件及其相关新型半导体材料的研究，一直是电力电子领域极为活跃的主要课题之一。可以这么说：没有各种现代电力电子器件，就没有现代电力电子装置及其应用；没有日益扩大的电力电子应用市场需求强烈的推动和促进，也不会出现今天现代电力电子器件的蓬勃发展的局面。

　　1、电力电子器件现状和发展

　　1.1概述

　　一个理想的功率半导体器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，能导通高的电流密度并具有低的导通压降；在开关状态和转换时，具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和du/dt，具有低的开关损耗；运行时具有全控功能和良好的温度特性。

　　自20世纪50年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈努力，并已取得了世人瞩目的成就。早期的大功率变流器，如牵引变流器，几乎都是基于晶闸管的。到了20世纪80年代中期，4.5.kV的可关断晶闸管(gateturn-offthyristor，GTO)得到广泛应用，并成为在接下来的10年内大功率变流器的首选器件，一直到绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，IGBT)的阻断电压达到3.3.kV之后，这个局面才得到改变。与此同时，对GTO技术的进一步改进导致了集成门极换流晶闸管(intergratedgatecommutatedthyristor，IGCT)的问世，它显示出比传统GTO更加显著的优点。目前的GTO开关频率大概为500.Hz，由于开关性能的提高，IGCT和大功率IGBT的开通和关断损耗都相对较低，因此可以工作在1~3.kHz的开关频率下。至2005年，以晶闸管为代表的半控型器件已达到70.MW/9.000.V的水平，全控器件也发展到了非常高的水平。当前，硅基电力电子器件的水平基本上稳定在109~1010.W.Hz左右，已逼近了由于寄生二极管制约而能达到的硅材料极限，电力电子器件的功率频率乘积和相应半导体材料极限不难理解，更高电压、更好开关性能的电力电子器件的出现，使在大功率应用场合不必要采用很复杂的电路拓扑，这样就有效地降低了装置的故障率和成本。

　　1.2超大功率晶闸管

　　晶闸管是电力电子中传统的电力电子器件。自问世以来，它的功率容量已提高了近3.000倍，具有最高的功率等级(12.kV，6.kA)。并且因为晶闸管可以光触发，所以它很容易就可实现串联连接。为阻断13.kV电压，提出一种13.kV不对称晶闸管和13.kV二极管相串联的新器件概念，并通过使用一种基于N..发射极前的深埋场阻层的场阻技术，13.kV二极管反向恢复性能得到显著改善。晶闸管的主要缺点是不能自关断，只能靠电路本身将其电流置零。因此，晶闸管在关断的时候需要消耗很大的无功功率。

　　我国以晶闸管为代表的第1代半控电力电子器件的产业业已成熟，种类齐全，质量可靠，产品、技术水平已居世界前列，如：5英寸7.200.V/3.000.A和6英寸8.500.V/(4.000~4.750.A)电控晶闸管以及5英寸7.500.V/3.125.A光控晶闸管已实现了产业化，并已经成功用于高压直流输电和无功补偿等领域。

　　预计在今后若干年内，晶闸管仍会在高电压、大电流应用场合得到继续发展。1982年日本日立公司首先研制成功2.500.V/1.000.A的GTO。目前许多生产商均可提供额定开关功率36.MVA(6.000.V，6.000.A)用的高压大电流GTO。为了折衷其导通、开通和关断特性，传统GTO的典型关断增量仅为3~5。GTO关断期间的不均匀性引起的“挤流效应”使GTO关断期间du/dt必须限制在500~1.000V/.s。为此，人们不得不使用体积大且笨重又昂贵的吸收电路。它另一个缺点是门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。但是，高的导通电流密度、阻断电压和阻断状态下高的du/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使人们仍对GTO感到兴趣。到目前为止，传统的GTO在高压、大功率牵引、工业和电力逆变器中是应用得最为普遍的门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6英寸、6.000.V/6.000.A以及9.000.V/10.000.A。这种GTO采用了大直径均匀结技术和全压接式结构，通过少子寿命控制技术折衷了GTO导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。由于GTO具有门极全控功能，它正在许多应用领域逐步取代可控硅(siliconcontrolledrectifier，SCR)。为了满足电力系统对1.GVA以上的三相逆变功率电压源的需要，可望解决几十个高压GTO串联的技术，可使电力电子技术在电力系统中的应用方面再上一个台阶。