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电力电子基础第一讲主讲教师：王念春东南大学远程教育《电力电子基础》绪论IEEE（国际电气和电子工程师协会）对电力电子技术(或电力电子学)的表述为：①有效地使用电力半导体器件，②应用电路和设计理论以及分析开发工具，③实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，④它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。•从1957年美国通用电气公司(GE)开发出第一只晶闸管产品开始，近50年来由于电力电子器件的飞速发展，加上现代控制理论与微处理器技术的进步，可以说电力电子技术已将我们带入一个更加节能、更加环保的绿色时代。•一、电力电子器件的发展•关于电力电子器件的发展分类方法有很多，从1957年世界上第一只晶闸管在美国诞生，到现在，功率半导体器件的发展已形成了四代产品：1．第一代产品。以晶闸管及其各种派生器件为代表，由普通晶闸管衍生出快速晶闸管、逆导晶闸管(RCT)、双向晶闸管(TRIAC)、不对称晶闸管(ASCR)等，形成一个SCR家族。特点为：不具备自关断能力；由于这一原因，需要在主回路上采取措施（主要是要加入电感与电容，构成复杂的辅助换流关断电路）强迫关断，这样造成装置的体积过大，目前这类器件在大功率的变流装置中仍有应用。其最大电流定额可达到8000A以上，电压额定可达到12kV。现在研制的光控晶闸管，其额定值可达8kV，4000A。国外发达国家除大容量的晶闸管和特殊品种外，一般产品已停止生产。2．第二代产品。以具备自关断能力为代表，主要代表器件有：①门极可判断晶闸管（GTO）。1964年，美国第一次试制成功了参数为500V/10A的GTO，但在此后的近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的研制取得突破是七十年代中期发展起来的，它使半导体电力电子技术进入了自关断阶段，前几年国外产品已达到6kV/6000A/1kHz水平。GTO具有高导通电流密度，高耐压及高阻断、较高dv/dt与di/dt耐量等特点，因而在大容量变流器中得到广泛的应用。由于它的门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率，以及需要一个庞大的吸收电路，又限制了其应用范围。在超大功率应用场合，门极可关断晶闸管（GTO）现在已经发展为逆阻断型晶闸管（GCT）或集成门极换流晶闸管（IGCT）。与GTO比较，IGCT的优点为：关断电流分布均匀、容许瞬态损耗大、可省略吸收电路、通断延迟时间仅为GTO的1/10，因而可提高开关频率、延迟时间的分散性小，容易串并联、总损耗为GTO的一半、关断门极电荷仅为1/2等。这两种用来制造电压源PWM逆变器和电流源PWM逆变器的器件目前都可以在市场上找到，目前火车电力机车的牵引变流器已开始采用IGCT器件。•②巨型晶体管（GTR）。出现于七十年代，现有产品的水平为1800V/800A/2kHz、1400V/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它在开关电源、电机驱动、通用逆变器等中等频率和中等功率容量的电路中广泛应用。其缺点是存在二次击穿、安全区易受各种参数影响、过流能力低等问题。它的开关速度比GTO提高了一个数量级，80年代未出现的通用变频调速器，其功率器件大多采用GTR，变频调速器的出现，给不少行业带来了革命性的影响→节能降耗，稳定工艺等，充分体现了科学技术是第一生产力的论断。•③功率MOSFET场效应晶体管（MOSFET）。是多子导电的功率MOSFET，其结构较复杂。该器件显著减小了开关时间，很容易达到100kHz的开关频率，冲破了电力电子装置中20kHz的长期障碍，目前的产品已达到60V/200A/2MHz和500V/50A/100kHz。功率MOSFET是低电压(100V)范围内最好的功率开关器件，但在高电压时其最大缺点是导通电阻随耐压的2.5次方急剧上升，给高功率应用带来很大的困难。八十年代开发出VVMOS(V型槽结构)、VDMOS(垂直双扩散结构)、DMOS(双扩散结构)，才使其从中小功率向大功率扩展，•各大公司相继投产高耐压、大电流、开关速度快的高功率MOSFET，一举打破了双极型功率器件独占市场的局面。九十年代末期功率MOSFET产业界纷纷将开发能力转向采用1μm工艺的沟槽栅(Trenchgate)MOSFET研制，不断推出新产品扩大市场。1998年国际整流器公司宣布用于开关电源的功率MOSFET，其结构采用CooMOS工艺技术，其晶体管性能比当时现有的器件高5倍。沟槽结构功率FET缩小了器件元胞体积，增强了器件的雪崩击穿能力，有效地减小了导通电阻，降低了驱动电压。这类器件现在广泛应用于•各种移动信息终端和电源电路中。现在沟槽结构功率MOSFET的产品型号规格超过100种，漏源额定电压为25、55、100、150、200V，其低导通电阻最小分别为3、5.5、8、9、20、40mΩ。生产该种产品的厂家包括：飞利浦、英特西尔、TEMIC半导体、硅电子器件、快捷半导体、通用半导体、三菱电机、日立、APT、国际整流器公司、IR公司、摩托罗拉等。MOSFET还有一主要优点，它的导通电阻RON具有正温度系数，具有自动均流能力，因些它的并联问题比其它功率器件的并联问题要简单一些。•④静电感应晶闸管SITH或静电感应晶体管SIT。SITH是80年代初期在隐埋栅静电感应晶体管的基础上发展起来的。它是在SIT的漏极层上增加一层与漏极层导电类型相异的发射极层而形成的，又被称为场控二极管。与SIT相似，SITH也是常开型器件。但是，由于存在P型层少数载流子的电导调制效应，SITH的通态压降远比SIT低。SITH具有与GTO相似的关断特性，但关断增益远比GTO小，通态压降也比GTO大。不过，由于SITH，的导通和关断是在整个芯片上均匀进行的，其di/dt耐量大，加之它的dV/dt耐量亦只比GTO高一•个数量级，故大大简化了吸收电路。此外，SITH的开关速度也比GTO高得多。STIH主要用于高频感应加热、高频斩波器及无噪声PWM逆变器。•SIT是70年代初期在普通结型场效应晶体管基础上发展起来的一种新型大功率结型场效应晶体管，其原理是通过改变栅极电压及漏极电压以改变沟道势垒高度来调节沟道电流，具有类似真空三极管的非饱和伏安特性。SIT属短沟道单极型多子(电子)导电器件，没有少子存储效应，因而工作频率高、开关速度快，易于做成高频SIT和微波SIT。SIT采用多•沟道并联结构，沟道电阻率高，因而具有较高的电压、电流容量(比功率MOSFET大)。此外，SIT在负载情况下电压放大倍数基本不变，失真小，适用于需要进行线性功率放大的电路。SIT属常开型器件，只有在栅极加负偏压时才能关断，使用起来不太方便，从而限制了它的应用。此外，由于沟道电阻大，它的通态压降比其它器件要大一些。目前SIT截止频率可达50kHz以上，电流300A、电压3000V以上。SIT，的应用限于大功率中频广播发射机、高频感应加热设备等方面。据报道，国内已研制出频率高达400MHz的50V/40WSIT。•第二代器件是按少数载流子或多数载流子导电的单机工作的，不可能同时满足各项高性能的要求，因此电力电子器件的发展方向是多子导电与少子导电相结合形成双机理的器件，第三代器件，以复合型器件为标志。•3．第三代器件。主要代表有：•①绝缘栅晶体管（IGBT）。是目前主流的功率器件。自1985年绝缘门极双极型晶体管（IGBT）进入实际应用以来，IGBT已经涵盖了600V～6.5kV的电压范围和1～3500A的电流范围，并且表现出在更高和更低的电压和电流、更高的频率和更低的功率损耗方面具有进一步发展的诸多潜质。IGBT在低功耗、高可控性方面取得的巨大进步，使得10MW级的IGBT功率变流器已进入商品化，100MW级的逆变器同样也有商品问世。日本东芝公司提出了一种新的加强型IGBT（也叫IEGT），•在关断损耗和导通电压上均取得了很好的折衷。在中小功率应用场合，日本三菱公司最近提出了基于薄晶片LPT技术的反向导通型IGBT（RC-IGBT）和反向阻断型IGBT（RB-IGBT）具有良好的应用前景，尤其是RB-IGBT，由于其反向阻断能力，特别适合矩阵变换器等需要双向开关的应用场合。在最近几年来，有关IGBT的研究工作已经开始出现减缓的迹象，因为目前IGBT的性能已经达到了一个很高的水平，如果在器件材料上没有新的突破，很难在不久的将来期望IGBT在性能上有更大的突破。••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，且存在一些技术问题。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、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。它的研制成功为提高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或更高。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已逐步替代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有望在高频150kHz整流器中取代功率MOSFET，并大大降低开关损耗。•IGBT的发展方向是提高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。•②MOSFET控制的双极晶体管MCT或晶闸管MCTH。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输入阻抗高、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/μs和2000V/μs。其工作结温亦可高达150～200℃。•目前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将逐渐走入应用领域并有可能取代高压GTO，与IGBT的竟争亦将在中功率领域展开。•4．第四代产品。PowerIC或SmartPower，或称“聪明器件”，主要特点为将功率模块、保护、控制及驱动集成在一个模块上，使其使用更简单。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。一般认为，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