常用功率电力开关器件的发展及应用.doc

常用功率电力开关器件的发展及应用现状
摘要：本文介绍了功率电力开关器件的发展历程、开关器件的原理及特性。分析了其在电子装置中的应用，并对未来功率电子开关器件的发展提出展望。
关键词：功率电子开关器件， 晶闸管 ，晶体管
abstract: this paper introduces the power switch power of the device development course, switching device principle and characteristics. in its analysis of the application of the electronic device, and the future development of the power electronic switching device was prospected.
keywords: power electronic switching device, thyristor, transistor
中图分类号：f407.61 文献标识码：a文章编号：

功率电力开关器件是电子技术的基础，也是电子技术发展的平台。1958年美国通用电气（ce）公司研制出第一个工业用普通晶闸管（scr），它标志着功率电子开关技术的诞生。宣告了人类在电能变换和控制方面从旋转的交流机组和静止的离子变流器进入了由电子开关构成新型变流器时代。半导体业经过近半个世纪的研发至今已有四代功率电子开关产品问世。第一代功率电子开关产品主要是普通晶闸管及派生系列。第二代功率电子开关器件主要有功率三极管（gtr）、可关断晶闸管（gto）、功率场效应管（mosfet）、绝缘门双极型晶体管（igbt）、mos控制晶闸管（mct）和高压集成电路等。第三代功率电子开关器件是智能化产品。目前已有智能化绝缘门极双极型晶体管，称智能igbt。第四代为沟槽栅结构的igbt，目前已在试验中。有望在短的时间内有系列产品出现。
半控制型功率电子开关器件
半控制型功率电子开关器件主要有普通晶闸管及其派生器件。普通晶闸管具有可控的单向导电性，即不但具有一般二极管的单向导电的整流作用，而且还可以对导通电流进行控制。单向晶闸管是pnpn四层结构，形成三个pn结，具有三个外电极。可等效为pnp、npn两个晶体管组成的复合管。目前的制造容量为：12kv/1ka和6.5kv/4ka。
光控晶闸管是通过光信号控制晶闸管触发导通的器件，它具有很强的抗干扰能力、良好的高压绝缘性能和较高的瞬时过电压承受能力，因而被广泛地应用于高压直流输电（hvdc）、静止无功补偿（svc）等领域。目前容量水平为8kv/3.6ka。
非对称晶闸管是一种正、反相电压耐量不对称的晶闸管，而逆导晶闸管是非对称晶闸管的一种特例，是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。于普通晶闸管相比，它具有关断时间短、正相压降小、额定结温高、高温特性好等优点。主要运用于逆变器和整流器中。目前的容量制造水平3kv/0.9ka。
二、全控型功率电力开关器件
全控型功率电力开关器件有如下几种产品：
1、门极可关断晶闸管（gto）。1964年美国第一次试验成功了0.5kv/0.01ka的gto。因容量较小，当时只用于汽车点火装置和电视机行扫描电路。20世纪70年代后期gto的研制取得了重大突破。相继研制出1.3kv/0.6ka；2.5kv/1ka；4.5kv/2.4ka的产品。目前已达到9kv/2.5ka/0.8khz和6kv/6ka/1khz的水平。gto有对称、非对称和逆向导通三种类型。主要运用于中等容量的牵引驱动中。目前各类自关断开关器件中gto容量最大。它还在高压领域占有一席之地。
2、大功率晶体管（gtr）。gtr是一种电流控制的双极双结电子开关器件（又称大林顿三极管），生产于上世纪70 年代。其额定值已达：1.8kv/0.8ka/2khz，1.4kv/0.6ka/5khz；0.6kv/0.3ka/100khz;它既具有晶体管的固有特性，又增大了功率容量。其优点是它组成的电路灵活、成熟、开关频率较高。在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。gtr的缺点是驱动电流较大，耐浪涌电流的能力差。易受二次击穿而损坏。正逐步被mosfet和igb所代替。
3、功率场效应管（功率mosfet）。功率场效应管是一种电压控制型单极晶体管。它是通过栅极电压来控制漏极电流的。因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、工作频率高（100khz）、为所有功率电子开关器件中频率之最。因而最适合应用于开关电源、高频感应加热器等高频场合。其缺点是电流容量较小、耐压低、通态压降大。目前制造水平在1kv/0.02ka/2000khz和0.06kv/0.2ka/2000khz。
三、复合型功率电力开关器件
1、绝缘门极双极型晶体管（igbt）。igbt是美国ce公司和rca公司于1983年首先研制的。igbt集grt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。igbt的开关速度低于功率mosfet；却高于gtr；通态压降同gtr相近，但比功率mosfet低的多；电流、电压等级与gtr接近，而比功率mosfet高。目前其生产水平已达到4.5kv/1ka。ir公司已生产出开关频率达150khz的warp系列。igbt近年来被广泛地应用于中等功率容量（600v以上）的ups开关电源及交流电机控制用pwm逆变器中。并正逐步替代gtr成为功率开关器件的核心元件。
2、mos控制晶闸管（mct）。mct最早是美国ce公司研制的，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元件组成。而每个元件又是由一个pnpn和一个控制mct关断的mosfet组成。mct工作于超擎住状态，是一个真正的pnpn器件，其通态电阻低于其它场效应器件。mct既具有功率mosfet输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特点、又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。目前已制造出阻断电压高达4kv以上的mct，在25a/1kv的串联谐振器交换器中得到使用。
四、功率集成电路（pic）
1、pic是功率电子开关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。功率集成电路可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）。2、 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、而控制电路的电流密度较大，故大多数用于小型电机驱动，平板显示驱动及长途电话通信电路等高电压、小电流场合。3、spic是由一个或几个纵向结构的功率器件与控制和保护电路集成而成。电流容量大而耐压能力差，适合作为电机驱动，汽车功率开关及调压等。4、ipm除了集成功率器件和驱动电流外，还集成了过电压过电流过热等故障监测电路。快将监测信号传给cpu以保证ipm自身安全。目前ipm中的功率器件一般由igbt充当。ipm体积小、可靠性高、使用方便。主要运用于交流电机控制和家用电器。已有400v/55kw/20khz的ipm得到应用。
五、结论
功率电力开关器件地应用已深入到工业生产和社会生活以及国防等各个方面。实际地需要将极大地推动新器件的创新。微电子技术和功率电力器件的结合，一些具有高载流子迁移率强的热电传导性以及宽带隙的新型半导体材料如：砷化镓、碳化硅、人造金刚石等材料有助于开发新一代高结温、高频率、高动态参数的器件。从结构上看，功率电力开关器件将向复合化、模块化发展。从性能上看发展方向将是提高容量和工作频率，降低通态压降，减小驱动功率、改善动态参数和多功能化。从应用上看，mosfet、igbt、mct是最具有发展前景的器件。gto将继续在超高压大功率领域发挥作用；功率mosfet在高频、低压、小功率领域具有优势。大电流普通晶闸管在高压直流输电和静止无功功率补偿装置中的作用会得到延续。而低压普通晶闸管和gtr将逐步被功率mosfet（600v以下）和igbt（600v以上）所代替。mct最具发展前途。

参考文献 ：
[1] 菲利浦功率mosfet 《世界电子元器件》[m] 2000
[2] 弓小武,mos功率器件新成员－hbsit[j], 《电力电子技术》2005-2
[3]《电源器件实用资料汇编》[m],电子科技出版社 2007