功率器件發(fā)展歷程

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1、-功率器件的發(fā)展歷程IGBT、GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IGCT……2009-12-0808:49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“龍頭”。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。到了70年代，晶閘管開始形成由低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品。同時(shí)，非對(duì)稱晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管

2、、雙向晶閘管、光控晶閘管等晶閘管派生器件相繼問(wèn)世，廣泛應(yīng)用于各種變流裝置。由于它們具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，其研制及應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。由于普通晶閘管不能自關(guān)斷，屬于半控型器件，因而被稱作第一代電力電子器件。在實(shí)際需要的推動(dòng)下，隨著理論研究和工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量和類型等方面得到了很大發(fā)展，先后出現(xiàn)了GTR、GTO、功率MOSET等自關(guān)斷、全控型器件，被稱為第二代電力電子器件。近年來(lái)，電力電子器件正朝著復(fù)合化、模塊化及功率集成的方向發(fā)展，如IGPT、MCT、HVIC等就是這種發(fā)展的產(chǎn)物。電力整流管整流管產(chǎn)

3、生于本世紀(jì)40年代，是電力電子器件中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、使用最廣泛的一種器件。目前已形成普通整流管、快恢復(fù)整流管和肖特基整流管等三種主要類型。其中普通整流管的特點(diǎn)是：漏電流小、通態(tài)壓降較高(10～18V)、反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)(幾十微秒)、可獲得很高的電壓和電流定額。多用于牽引、充電、電鍍等對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求不高的裝置中。較快的反向恢復(fù)時(shí)間(幾百納秒至幾微秒)是快恢復(fù)整流管的顯著特點(diǎn)，但是它的通態(tài)壓降卻很高(16～4.---0V)。它主要用于斬波、逆變等電路中充當(dāng)旁路二極管或阻塞二極管。肖特基整流管兼有快的反向恢復(fù)時(shí)間(幾乎為零)和低的通態(tài)壓降(0.3～0.6

4、V)的優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)其漏電流較大、耐壓能力低，常用于高頻低壓儀表和開關(guān)電源。目前的研制水平為:普通整流管(8000V/5000A/400Hz)；快恢復(fù)整流管(6000V/1200A/1000Hz)；肖特基整流管(1000V/100A/200kHz)。電力整流管對(duì)改善各種電力電子電路的性能、降低電路損耗和提高電源使用效率等方面都具有非常重要的作用。隨著各種高性能電力電子器件的出現(xiàn)，開發(fā)具有良好高頻性能的電力整流管顯得非常必要。目前，人們已通過(guò)新穎結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和大規(guī)模集成電路制作工藝的運(yùn)用，研制出集PIN整流管和肖特基整流管的優(yōu)點(diǎn)于一體的具有MPS、SP

5、EED和SSD等結(jié)構(gòu)的新型高壓快恢復(fù)整流管。它們的通態(tài)壓降為1V左右，反向恢復(fù)時(shí)間為PIN整流管的1/2，反向恢復(fù)峰值電流為PIN整流管的1/3。普通晶閘管及其派生器件晶閘管誕生后，其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和工藝的改革，為新器件的不斷出現(xiàn)提供了條件。1964年，雙向晶閘管在GE公司開發(fā)成功，應(yīng)用于調(diào)光和馬達(dá)控制；1965年，小功率光觸發(fā)晶閘管出現(xiàn)，為其后出現(xiàn)的光耦合器打下了基礎(chǔ)；60年代后期，大功率逆變晶閘管問(wèn)世，成為當(dāng)時(shí)逆變電路的基本元件；1974年，逆導(dǎo)晶閘管和非對(duì)稱晶閘管研制完成。普通晶閘管廣泛應(yīng)用于交直流調(diào)速、調(diào)光、調(diào)溫等低頻(400Hz以下)領(lǐng)域

6、，運(yùn)用由它所構(gòu)成的電路對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行控制和變換是一種簡(jiǎn)便而經(jīng)濟(jì)的辦法。不過(guò)，這種裝置的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生波形畸變和降低功率因數(shù)、影響電網(wǎng)的質(zhì)量。目前水平為12kV/1kA和6500V/4000A。雙向晶閘管可視為一對(duì)反并聯(lián)的普通晶閘管的集成，常用于交流調(diào)壓和調(diào)功電路中。正、負(fù)脈沖都可觸發(fā)導(dǎo)通，因而其控制電路比較簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)是換向能力差、觸發(fā)靈敏度低、關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，其水平已超過(guò)2000V/500A。光控晶閘管是通過(guò)光信號(hào)控制晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的器件，它具有很強(qiáng)的抗干擾能力、良好的高壓絕緣性能和較高的瞬時(shí)過(guò)電壓承受能力，因而被應(yīng)用于高壓直流輸電(HVDC)、靜止無(wú)

7、功功率補(bǔ)償(SVC)等領(lǐng)域。其研制水平大約為8000V/3600A。.---逆變晶閘管因具有較短的關(guān)斷時(shí)間(10～15s)而主要用于中頻感應(yīng)加熱。在逆變電路中，它已讓位于GTR、GTO、IGBT等新器件。目前，其最大容量介于2500V/1600A/1kHz和800V/50A/20kHz的范圍之內(nèi)。非對(duì)稱晶閘管是一種正、反向電壓耐量不對(duì)稱的晶閘管。而逆導(dǎo)晶閘管不過(guò)是非對(duì)稱晶閘管的一種特例，是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。與普通晶閘管相比，它具有關(guān)斷時(shí)間短、正向壓降小、額定結(jié)溫高、高溫特性好等優(yōu)點(diǎn)，主要用于逆變器和整流器中

8、。目前，國(guó)內(nèi)有廠家生產(chǎn)3000V/900A的非對(duì)稱晶閘管。全控型電力電子器件門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）1964年，美國(guó)第一次試制成功了500V/10A