电力电子器件的新发展

电力电导器件的*新发展统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工-及轻纺等），还是对新建高技术产业（航天、激光、通信及机器人等）至关重要，从而已迅速发展成为一门独立学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门，毫无疑问，它将成为本世纪乃至下世纪重要关键技术之一。近几年来西方发达的国家，尽管总体经济的增长速度较慢，电力电子技术仍一直保持着每年百分之十几的高速增长。 "器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。以功率器件为核心的现代电力电子装置，在整台装置中通常不超过总价值的20*-30*，但是，它对提装置的各项技术指标和技术性能，却起着十分重要的作用。 当具有下列理想的静态和动态特性：在截止状态时能承受高电压；在导通状态时，具有大电流和很低的压降；在开关转换时，具有短的开、关时间，能承受高的di/ *dt和du/dA以及具有全控功能。 自**只硅晶闸管问世以后，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的努力，并已取得了世人瞩目的成就。60年代后期，可关断晶闸管GT0实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到1kHz以上。70年代中期，功率晶体管和功率M0SFET问世，功率器件实现了场控功能，打开了高频应用的大门。80年代，绝缘栅门控双极型晶体管（IGBT）问世，它综合了功率M0SFET和双极型功率晶体管两者的功能。 它的迅速发展，又激励了人们对综合功率M0SFET和晶闸管两者功能的新哦功率器件MOSFET门控晶闸管的研究。因此，当前功率器件研究工作的重点主要集中在研究现有功率器件的性能改进、M0S门控晶闸管以及采用新型半导体材料制造新型的功率器件等。下面就近几年来上述功率器件的*新发展加以综述。 一、功率晶闸管的*新发展晶闸管自问世以来，其功率荇量提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产（MOOmm、8kV /4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV/4kA和6kV/6kA的光触发晶闸管。美国和欧洲主要牛产电触发晶闸管。近十几年来，由丁自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC、静止无功补偿、大功率及超大功率直流电源和高）玉变频调速应用方面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。 现在，许多生产商可提供额定开关功率36MVA（6kV/6kA）用的压大电流GT0.传统GT0的典型的关断增量仅为3-5.GT0关断期间的不均性引起的“挤流效应”使其在关断期间dn/dt必须限制在0.5-lkV/us.为此，人们不得不使用体积大、昂贵的吸收电路，另外它的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、高的阻断电压、阻断状态下的du/dt耐量和OU气时代2001年第5斯）有可能在内部集成一个反1*二极管，这些突出的优点仍使人们对GT0感穴趣。到0前为止，在压（丨>3.3kV）、大功坪1（0.5-20MVA）的牵引、工业和电力逆变器中应用得*为铧遍的是f j控功率半导体器件。S前，GT0的*研究水平为6in、6kV /6kA以及9kV/l0kA.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，近期很有可能开发出10kA/12kV的GT0，并有可能解决30多个压GT0串联的技术，可望使电力电子技术在电力系统屮的应用再上一个台阶。 脉冲功率闭合开关晶闸管该器件特别适用于传送极强的峰值功率（数）、极短的持续时间（数ns）的放电闭合开关应用场合，如：激光器、强度照明、放电点火、电磁发射器和雷达调制器等。该器件能在数kV的压下快速开通，不需要放电电极，具有很长的使用寿命，体积小、价格比较低，可望取代0前尚在应用的压离子闸流管、引燃管、火花间隙开关或真空开关等。 该器件独特的结构和工艺特点是：门一阴极周界很长并形成度交织的结构，门极面积占芯片总而积的90*，而阴极面积仅占10%；基区空穴一电子寿命很长，门一阴极之间的水平距离小于一个扩散长度。上述两个结构特点确保了该器件在开通瞬间，阴极面积能得到100*的应用。此外，该器件的阴极电极采用较厚的金属层，可承受瞬时峰值电流。 新型GT0器件集成门极换流晶闸管当前已有两种常规GT0的替代品：功率的GBT模块、新型GT0派牛器件一代前沿电气酌阴极屯流电流增益=i N极关断时，GTO和IGCT门阴极区耗尽层示意图门极屯流门栈屯流CHl气时代2001年第5斯）一集成门极换流IGCT晶闸管。IGCT晶N管是一种新的大功率器件，与常规GTO晶闸宵相比，它具有昨多优良的特性，例如，不用缓冲电路能实现可靠关断、存储时问短、开通能力强、关断门极电荷少和应用系统（乜栝所有器件和外围部件如阳极电抗器和缓冲电容器等）总的功中损耗低等。 在L述这些特性中，优良的开通和W1 1（；Cr管饼和芯片的外形照片关断能力足特别甬耍的方|Hf，因为在实际应>丨中，GT0的；（*用条件zK要是受到这咚开关特件的局限。众所周知，GTO的又断能力与H：门极驱动电路的性能关系极大，3门极关断电流的丨：升韦（d/w/dZ）较时，GT0品闸管则具较的关断能力。一个4.5kV/4kA的丨GCI与一个4.5kV/4kA的GT0的砟片尺寸类似，nj是它能在高于6kA的情况F不）N缓冲屯路加以X断，