1 引言
電力電子技術包括功率半導體器件與ic技術、功率變換技術及控制技術等幾個方面，其中電力電子器件是電力電子技術的重要基礎，也是電力電子技術發展的“機車”。現代電力電子技術無論對改造傳統工業(電力、機械、礦冶、交通、化工、輕紡等)，還是對高新技術產業(航天、激光、通信、機器人等)都至關重要，它已迅速發展成為一門獨立學科領域。它的應用領域幾乎涉及到國民經濟的各個工業部門，毫無疑問，它將成為21世紀重要關鍵技術之一。
“一代器件決定一代電力電子技術。”每一代新型電力電子器件的出現，總是帶來一場電力電子技術的革命。從1958年美國通用電氣(ge)公司研制出世界上第一個工業用普通晶閘管開始，電能的變換和控制從旋轉的變流機組和靜止的離子變流器進入由電力電子器件構成的變流器時代，這標志著電力電子技術的誕生。80年代末期和90年代初期發展起來的、以功率mosfet和igbt為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,標志著傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。以功率器件為核心的現代電力電子裝置，在整臺裝置中通常不超過總價值的20%～30%，但是，它對提高裝置的各項技術指標和技術性能，卻起著十分重要的作用。
2 電力電子器件的回顧
電力電子器件又稱作開關器件，相當于信號電路中的a/d采樣，稱之為功率采樣，器件的工作過程就是能量過渡過程，其可靠性決定了裝置和系統的可靠性。根據可控程度可以把電力電子器件分成兩類:
(1) 半控型器件-第一代電力電子器件
自從50年代，由美國通用電氣公司發明的硅晶閘管的問世，標志著電力電子技術的開端。此后，晶閘管(scr)的派生器件越來越多，到了70年代，已經派生了快速晶閘管、逆導晶閘管、雙向晶閘管、不對稱晶閘管等半控型器件，電力電子器件的功率也越來越大，性能日益完善。但是由于晶閘管的固有特性，工作頻率較低(一般低于400hz)，大大限制了它的應用范圍，并且由于其固有的特性，比如關斷這些器件，必須要有強迫換相電路，使得整體體積增大、重量增加、效率降低以及可靠性下降。目前，國內生產的電力電子器件仍以晶閘管為主，其中的一些中低檔產品業已成熟，并有相當的批量出口。
(2) 全控型器件-第二代電力電子器件
伴隨著關鍵技術的突破以及需求的發展，早期的小功率、半控型、低頻器件發展到現在的超大功率、高頻全控器件。由于全控型器件可以控制開通和關斷，大大提高了開關控制的靈活性。從70年代后期開始，可關斷晶閘管(gto)、電力晶體管(gtr或bjt)及其模塊相繼實用化。在此后各種高頻率的全控型器件不斷問世，并得到迅速發展。這些器件主要有: 電力場控晶體管(即功率mosfet)、絕緣柵極雙極晶體管(igt或igbt)、靜電感應晶體管(sit)、靜電感應晶閘管(sith)等，這些器件的產生和發展，已經形成了一個新型的全控電力電子器件的大家族。
3 電力電子器件的最新發展
現代電力電子器件仍然在向大功率、易驅動和高頻化方向發展。另外，電力電子模塊化是電力電子向高功率密度發展的重要的一步。當前電力電子器件的主要成果如下:
(1) igbt-絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor)
igbt是一種n溝道增強型場控(電壓)復合器件，如圖1所示。它屬于少子器件類，卻兼有了power mosfet和雙極性器件的優點: 高的輸入阻抗(容抗性質)、開關速度快、安全工作區寬; 飽和壓降比較低，甚至接近gtr的飽和壓降，耐壓高、電流大,因此，igbt將是促進高頻電力電子技術發展的一種比較理想的基礎元件，其可望用于直流電壓為1500v的高壓變流系統。
圖1 n溝道igbt示意圖
目前，已經研制出的高功率溝槽柵結構igbt(trench igbt)模塊，是近幾年來出現的高耐壓大電流igbt器件均采用的結構，它避免了大電流igbt模塊內部大量的電極引出線，提高了可靠性和減小了引線電感，缺點是芯片面積利用率下降。所以這種平板壓接結構的高壓大電流igbt模塊也可望成為高功率高電壓變流器的優選功率器件。
正式商用化的高壓大電流igbt器件至今尚未出現，其電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技術發展的需求，特別是在高壓領域許多應用中，要求器件的電壓等級達到10kv以上。目前只能通過其它技術手段，比如依靠igbt高壓串聯應用組件技術來實現它的高壓應用。國外許多大的相關廠家都投入了大量的人力物力開發研制新型高壓igbt器件。例如，瑞士abb公司采用軟穿通原則研制出了高壓8000v的igbt器件，如圖2所示。德國的eupec生產的6500v/600a高壓大功率igbt器件已經獲得實際應用。日本的東芝公司也投入到開發和研制新型高壓igbt器件的行列中。
圖2 abb公司開發的igbt
(2) mct-mos控制晶閘管(mos-controlled thyristor)
mct是一種新型mos與雙極復合型器件，如圖3所示。它采用集成電路工藝，在普通晶閘管結構中制作大量mos器件，通過mos器件的通斷來控制晶閘管的開通與關斷。mct既具有晶閘管良好的阻斷和通態特性，又具備mos場效應管輸入阻抗高、驅動功率低和開關速度快的優點，同時它還克服了晶閘管速度慢、不能自關斷和高壓mos場效應管導通壓降大的缺點。這是mct被認為是目前眾多的新型功率器件中很有發展前途的器件的原因。
圖3 mct的等效電路圖
mct器件自上世紀80年代末期產生，雖然發展時間較短，但是mct在國外已經發展到了很高的水平。mct器件的最大可關斷電流已經達到了300a，最高阻斷電壓為3000v，可關斷電流密度為325a/cm2，且已試制出由12個mct并聯組成的模塊。
mct的應用也達到了相當高的水平，美國西屋公司報導了其采用mct開發10kw高頻串并聯諧振dc-dc變流器的研究情況，已得到了令人矚目的功率密度(6.1w/cm2)和高可靠的運行。據報導 ，美國正計劃采用mct組成功率變流設備，建設高達500kv的高壓直流輸電hvdc設備。國內的東南大學采用sdb鍵合特殊工藝在實驗室制成了100ma/100v mct樣品; 西安電力電子技術研究所利用國外進口厚外延硅片也試制出9a/300v mct 樣品。mct的研究與應用正在全面展開，實用化為期不遠。
(3) igct-集成門極換流晶閘管(intergrated gate commutated thyristors)
igct是一種用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導體器件。它的應用使變流裝置在功率、可靠性、開關速度、效率、成本、重量和體積等方面都取得了巨大進展，給電力電子成套裝置帶來了新的飛躍。igct是將gto芯片與反并聯二極管和門極驅動電路集成在一起，再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接，結合了晶體管和晶閘管兩種器件的優點，即晶體管的穩定的關斷能力和晶閘管的低通態損耗的一種新型器件。igct在導通期間發揮晶閘管的在導通期間晶閘管的性能，關斷階段呈類似晶體管的特性。igct具有電流大、電壓高、開關頻率高、可靠性高、結構緊湊、損耗低的特點。此外，igct還像還像gto一樣，具有制造成本低和成品率高的特點，有極好的應用前景。
采用晶閘管技術的gto是常用的大功率開關器件，它相對于采用晶體管技術的igbt在截止電壓上有更高的性能，但廣泛應用的標準gto驅動技術造成不均勻的開通和關斷過程，需要高成本的dv/dt和di/dt吸收電路和較大功率的門極驅動單元，因而造成可靠性下降和價格較高的缺點。此外，也不利于串聯以便用于更大容量的裝置。因此，在大功率mct技術尚未成熟以前，igct已經成為高功率高電壓低頻交流器的優選功率器件之一。
瑞士的abb公司的acs1000是目前國外高壓大容量變頻器中比較成熟的產品之一。在acs1000變頻器中，igct是主要的功率開關器件, 圖4為其開發的一種型號的igct。由于其價格等因素, 目前, 國內只有包括清華大學在內的少數幾家科研院所在自己開發的電力電子裝置中應用了igct。
圖4 abb公司開發的一種igct
(4) iect-電子注入增強柵晶體管(injection enhanced gate transistor)
iegt是耐壓4kv以上的高耐壓igbt系列電力電子器件，同時又是通過采取增強注入的結構以實現低通態電壓、使大容量電力電子器件取得飛躍性發展。現已經經歷了實際應用的初期階段，進入了通過特性改良以實現更高性能為目標的發展期。
iegt本質上具有作為mos系列電力電子器件的潛在發展前景，預示著它是未來的重要發展方向。低損耗、高速動作等基本的芯片性能會不斷提高自不必說，6kv級的高耐壓化、有源柵驅動的智能化、以及溝槽結構的采用等特性改良措施、多芯片并聯而自均流的特征也都孕育其并聯驅動以進一步擴大電流容量的巨大潛力。另外，通過模塊封裝它還具有多樣化聯接的眾多派生產品的靈活性，它作為中大容量變換器的突破點被寄予厚望。
由日本東芝開發的iect(如圖5所示), 利用了“電子注入增強效應”，使之兼有igbt和gto兩者的優點: 低的飽和壓降, 寬的安全工作區(吸收回路容量僅為gto的1/10左右), 低的柵極驅動功率(比gto低兩個數量級)和較高的工作頻率。加之該器件采用了平板壓接式電極引出結構，可望有較高的可靠性，目前該器件已經達到4.5kv/1500a的水平。
圖5 一種典型的iect
(5) ipem-集成電力電子模塊(intergrated power elactronics modules)
ipem已經不是傳統意義上的電力電子器件的概念，它是將電力電子裝置的諸多器件集成在一起的模塊。它的組成過程如下: 首先將半導體器件mosfet、igbt或mct與二極管的芯片封裝在一起組成一個積木單元, 然后將這些積木單元迭裝到開孔的高電導率的絕緣陶瓷襯底上,在它的下面依次是銅基板、氧化鈹瓷片和散熱片。在積木單元的上部則通過表面貼裝將控制電路、門極驅動、電流和溫度傳感器以及保護電路集成在一薄層絕緣層上, 如圖6所示, 為一個典型的電力電子模塊。ipem實現了電力電子技術的智能化和模塊化, 并大大降低電路接線電感，提高了系統的效率。進一步提高了可靠性，降低了系統的噪音和寄生振蕩。
圖6 一種采用柵陣列構成的集成電力電子模塊
(6) pebb-電力電子積木(power electric building block)
1997年前后美國政府、軍方及電力電子技術領域一些著名學者共同提出pebb的概念，可以說pebb是在ipem的基礎上發展起來的。pebb是可以處理電能集成的器件或模塊。一個pebb并不是一種特定的半導體器件，一種無源器件或一種電路結構，它是依照最優的電路結構和系統結構設計的不同器件和技術的集成。一種典型的pebb如圖7所示。雖然它看起來很象一種典型的功率半導體模塊，但pebb包括的東西更多，除了功率半導體器件外，它還包括門極驅動電路、電平轉換、傳感器、保護電路、電源和無源器件。
圖7 一種典型的pebb
作為一種模塊化產品，pebb有兩種接口:能量接口和通訊接口。通過這兩種接口，幾個pebb可以組成電力電子系統，這些系統可以象小型的dc-dc轉換器一樣簡單，也可以象大型的分布式電力系統一樣復雜。一個系統中pebb的數量可以從一個到所需要的任何數量。多個pebb模塊一道工作可以完成系統級的功能，例如電壓轉換，能量的儲存和轉換，阻抗匹配等。在pebb的應用中，有幾個特性非常重要，其中最重要的一點就是其通用性。pebb的研究始于在各種器件、電路結構和系統結構中找到共同的電氣、機械、熱力學架構，最后的目標是設計并生產出適合各種應用場合的通用pebb模塊。
4 基于新型材料的電力電子器件
sic是目前發展最成熟的寬禁帶半導體材料，作為si等半導體材料的重要補充，可制作出性能更加優異的高溫(300～500℃)、高頻、高功率、高速度、抗輻射器件。sic高功率、高壓器件對于公電輸送和電動汽車等節能具有重要意義。美國電力電子系統中心的李澤元博士指出，silicon(硅)基器件的發展，在今后已沒有什么可突破的空間了，目前研究的方向是sic(碳化硅)等下一代半導體材料，這種新器件將在今后5～10年內出現，它的出現會產生革命性的影響。在用這種新型半導體材料制成的功率器件，性能指標比砷化鎵器件還要高一個數量級，碳化硅與其他半導體材料相比，具有下列優異的物理特點:高的禁帶寬度，高的飽和電子漂移速度，高的擊穿強度，低的介電常數和高的熱導率。上述這些優異的物理特性,決定了碳化硅在高溫、高頻率、高功率的應用場合是極為理想的半導體材料。在同樣的耐壓和電流條件下，sic器件的漂移區電阻要比硅低200倍，即使高耐壓的 sic場效應管的導通壓降，也比單極型、雙極型硅器件的導通壓將低得多。而且，sic器件的開關時間可達10ns量級，并具有十分優越的fbsoa。
sic可以用來制造射頻和微波功率器件，各種高頻整流器，mesfets、mosfets和jfets等。sic高頻功率器件已在motorola公司研發成功，并應用于微波和射頻裝置。ge公司正在開發sic功率器件和高溫器件(包括用于噴氣式引擎的傳感器)。西屋公司已經制造出了在26ghz頻率下工作的甚高頻的mesfet。abb公司正在研制高功率、高電壓的sic整流器和其他sic低頻功率器件，用于工業和電力系統。理論分析表明，sic功率器件非常接近于理想的功率器件。可以預見，各種sic器件的研究與開發，必將成為功率器件研究領域的主要潮流之一。但是，sic材料和功率器件的機理、理論、制造工藝均有大量問題需要解決，它們要真正給電力電子技術領域帶來又一次革命，估計至少還需要十幾年的時間。
5 結束語
電力電子器件的應用已深入到工業生產和社會生活的各個方面，實際的需要必將極大地推動器件的不斷創新。電力電子器件正進入以新型器件為主體的新一代電力電子器件時代，它將基本上取代傳統器件。“一代器件決定一代電力電子技術，”作為電力電子技術發展的決定性因素，電力電子器件的研究開發以及關鍵技術突破，必然會促進電力電子技術的迅速發展，從而促進了以電力電子技術為基礎的傳統工業和高新技術產業的迅速發展。
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：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
