电力电子器件的回顾

　　电力电子器件又称作开关器件，相当于信号电路中的a/d采样，称之为功率采样，器件的工作过程就是能量过渡过程，其可靠性决定了系统的可靠性。根据可控程度可以把电力电子器件分成两类：

　　半控型器件——第一代电力电子器件

　　上个世纪50年代，美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电子技术的开端。此后，晶闸管(scr)的派生器件越来越多，到了70年代，已经派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器件，功率越来越大，性能日益完善。但是由于晶闸管本身工作频率较低（一般低于400hz），大大限制了它的应用。此外，关断这些器件，需要强迫换相电路，使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。目前，国内生产的电力电子器件仍以晶闸管为主。

　　全控型器件——第二代电力电子器件

　　随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控型器件发展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。由于全控型器件可以控制开通和关断，大大提高了开关控制的灵活性。自70年代后期以来，可关断晶闸管(gto)、电力晶体管(gtr或bjt)及其模块相继实用化。此后各种高频全控型器件不断问世，并得到迅速发展。这些器件主要有电力场控晶体管(即功率mosfet)、绝缘栅极双极晶体管(igt或igbt)、静电感应晶体管(sit)和静电感应晶闸管(sith)等。

　　电力电子器件的最新发展

　　现代电力电子器件仍然在向大功率、易驱动和高频化方向发展。电力电子模块化是其向高功率密度发展的重要一步。当前电力电子器件的主要发展成果如下：

　　igbt：绝缘栅双极晶体管

　　igbt(insulated gate bipolar transistor)是一种n沟道增强型场控(电压)复合器件，如图1所示。它属于少子器件类，兼有功率mosfet和双极性器件的优点：输入阻抗高、开关速度快、安全工作区宽、饱和压降低（甚至接近gtr的饱和压降）、耐压高、电流大。igbt有望用于直流电压为1500v的高压变流系统中。

　　目前，已研制出的高功率沟槽栅结构igbt(trench igbt)是高耐压大电流igbt器件通常采用的结构，它避免了模块内部大量的电极引线，减小了引线电感，提高了可靠性。其缺点是芯片面积利用率下降。这种平板压接结构的高压大电流igbt模块将在高压、大功率变流器中获得广泛应用。

　　正式商用的高压大电流igbt器件至今尚未出现，其电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求，特别是在高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10kv以上。目前只能通过igbt高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士abb公司采用软穿通原则研制出了8kv的igbt器件，德国的eupec生产的6500v/600a高压大功率igbt器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。

　　mct：mos控制晶闸管

　　mct(mos-controlled thyristor)是一种新型mos与双极复合型器件，如图2所示。它采用集成电路工艺，在普通晶闸管结构中制作大量mos器件，通过mos器件的通断来控制晶闸管的导通与关断。mct既具有晶闸管良好的关断和导通特性，又具备mos场效应管输入阻抗高、驱动功率低和开关速度快的优点，克服了晶闸管速度慢、不能自关断和高压mos场效应管导通压降大的不足。所以mct被认为是很有发展前途的新型功率器件。mct器件的最大可关断电流已达到300a，最高阻断电压为3kv，可关断电流密度为325a/cm2，且已试制出由12个mct并联组成的模块。

　　在应用方面，美国西屋公司采用mct开发的10kw高频串并联谐振dc-dc变流器，功率密度已达到6.1w/cm3。美国正计划采用mct组成功率变流设备，建设高达500kv的高压直流输电hvdc设备。国内的东南大学采用sdb键合特殊工艺在实验室制成了100ma/100v mct样品；西安电力电子技术研究所利用国外进口厚外延硅片也试制出了9a/300v mct 样品。

　　igct：集成门极换流晶闸管

　　igct(intergrated gate commutated thyristors)是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。igct使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。igct是将gto芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。igct具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。

　　采用晶闸管技术的gto是常用的大功率开关器件，它相对于采用晶体管技术的igbt在截止电压上有更高的性能，但广泛应用的标准gto驱动技术造成不均匀的开通和关断过程，需要高成本的dv/dt和di/dt吸收电路和较大功率的门极驱动单元，因而造成可