电力电子器件及其应用的现状和发展

时间：2022-04-18 10:22:37 所属分类：电工技术 浏览量:

电力电子器件及其应用装置已日益广泛地应用和渗透到能源、交通运输、环境、先进装备制造、激光、航空航天及航母、舰船、坦克、第 5 代战机、激光炮、电磁炮等诸多现代化国防武器装备重要领域，这与近 30 多年来电力电子器件与电力电子技术的飞速发展和电力电子的重要作

　　电力电子器件及其应用装置已日益广泛地应用和渗透到能源、交通运输、环境、先进装备制造、激光、航空航天及航母、舰船、坦克、第 5 代战机、激光炮、电磁炮等诸多现代化国防武器装备重要领域，这与近 30 多年来电力电子器件与电力电子技术的飞速发展和电力电子的重要作用密切相关。二次大战后，特别是 20 世纪 80 年代以后，电子技术(包括：半导体、微电子技术;计算机、通信技术;电力电子技术等)的飞速发展，给世界科学技术、经济、文化、军事等各方面带来了革命性的影响。概括地说，电子技术包含两大部分：信息电子技术(包括：微电子、计算机、通信等)是实施信息传输、处理、存储和产生控制指令;电力电子技术是实施电能的传输、处理、存储和控制，它不但要保障电能安全、可靠、高效和经济地运行，而且还要将能源与信息高度地集成在一起。如果用人体组成来比喻的话，信息电子相当于人的大脑和神经中枢，负责思考和指挥;而电力电子则相当于人体的心血管系统和四肢，负责为人体活动提供能量和承担执行的功能，两者缺一不可，不可能互相代替。

　　事实表明，无论是电力、机械、矿冶、交通、石油、能源、化工、轻纺等传统产业，还是通信、激光、机器人、环保、原子能、航天等高技术产业，都迫切需要高质量、高效率的电能。而电力电子正是将各种一次能源高效率地变为人们所需的电能。它是实现节能环保和提高人民生活质量的重要手段，它已经成为弱电控制与强电运行之间、信息技术与先进制造技术之间、传统产业实现自动化、智能化改造和兴建高科技产业之间不可缺少的重要桥梁。所以，电力电子是我国国民经济的重要基础技术，是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。时至今日，无论高技术应用领域还是传统产业，特别是我国一些重大工程(三峡、特高压、高铁、西气东输等)，乃至照明、家电等量大面广的与人民日常生活密切相关的应用领域，电力电子产品已经无所不在，表 1 列出各主要应用领域必须用到的关键应用装置。

　　能量的合理利用，电气系统的微型化及电源智能管理促进了电力电子近 50 年的革命性发展。而新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。电力电子器件就好像现代电力电子装置的心脏，虽然它在整台装置中的价值通常不会超过总价值的 20%~30%，但是，它对装置的总价值，尺寸、重量、动态性能，过载能力，耐用性及可靠性等，起着十分重要的作用。因此，新型电力电子器件及其相关新型半导体材料的研究，一直是电力电子领域极为活跃的主要课题之一。可以这么说：没有各种现代电力电子器件，就没有现代电力电子装置及其应用;没有日益扩大的电力电子应用市场需求强烈的推动和促进，也不会出现今天现代电力电子器件的蓬勃发展的局面。

　　1 电力电子器件现状和发展

　　1.1 概述一个理想的功率半导体器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压;在导通状态，能导通高的电流密度并具有低的导通压降;在开关状态和转换时，具有短的开、关时间，能承受高的 di/dt 和 du/dt，具有低的开关损耗;运行时具有全控功能和良好的温度特性。自 20 世纪 50 年代硅晶闸管问世以后，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努力，并已取得了世人瞩目的成就。早期的大功率变流器，如牵引变流器，几乎都是基于晶闸管的。到了 20 世纪 80 年代中期，4.5 kV 的可关断晶闸管(gate turn-off thyristor，GTO)得到广泛应用，并成为在接下来的 10 年内大功率变流器的首选器件，一直到绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的阻断电压达到 3.3 kV 之后，这个局面才得到改变。与此同时，对 GTO 技术的进一步改进导致了集成门极换流晶闸管 (intergrated gate commutated thyristor，IGCT)的问世，它显示出比传统 GTO 更加显著的优点。目前的 GTO 开关频率大概为 500 Hz，由于开关性能的提高，IGCT 和大功率 IGBT 的开通和关断损耗都相对较低，因此可以工作在 1~3 kHz 的开关频率下。至 2005 年，以晶闸管为代表的半控型器件已达到 70 MW/9 000 V 的水平，全控器件也发展到了非常高的水平。当前，硅基电力电子器件的水平基本上稳定在 109 ~1010 W⋅Hz 左右，已逼近了由于寄生二极管制约而能达到的硅材料极限，如图 1 所示。

　　1.2 超大功率晶闸管晶闸管是电力电子中传统的电力电子器件。自问世以来，它的功率容量已提高了近 3 000 倍，具有最高的功率等级(12 kV[4]，6 kA[5])。并且因为晶闸管可以光触发，所以它很容易就可实现串联连接。为阻断 13 kV 电压，提出一种 13 kV 不对称晶闸管和 13 kV 二极管相串联的新器件概念，并通过使用一种基于 N+ 发射极前的深埋场阻层的场阻技术，13 kV 二极管反向恢复性能得到显著改善[6]。晶闸管的主要缺点是不能自关断，只能靠电路本身将其电流置零。因此，晶闸管在关断的时候需要消耗很大的无功功率。我国以晶闸管为代表的第 1 代半控电力电子器件的产业业已成熟，种类齐全，质量可靠，产品、技术水平已居世界前列，如：5 英寸 7 200 V/3 000 A 和 6 英寸 8 500 V/(4 000~4 750 A)电控晶闸管以及 5 英寸 7 500 V/3 125 A 光控晶闸管已实现了产业化，并已经成功用于高压直流输电和无功补偿等领域。预计在今后若干年内，晶闸管仍会在高电压、大电流应用场合得到继续发展。

　　1.3 新型 GTO 器件—集成门极换流晶闸管 (Integrated Gate Commutated Thyristor—IGCT)[7] 当前已有两种常规 GTO 的替代品：高功率的 IGBT 模块;新型 GTO 派生器件—集成门极换流晶闸管 IGCT。IGCT 晶闸管是一种新型的电力电子器件，它的最重要特点是有一个引线电感极低的与管饼集成在一起的门极驱动器。图 4 为门极驱动和器件的外形照片，图中门极驱动器与 IGCT 管饼之间的距离只有 15 cm 左右，包括 IGCT 及其门极驱动电路在内的总引线电感量可以减小到 GTO 电路的 1/100 左右，因此与常规 GTO 晶闸管相比，它具有许多优良的特性，例如：损耗低、开关速度快、关断可靠、易于应用等。这些优点保证了 IGCT 可以以较低的成本，紧凑、可靠、高效率地用于 300 kVA~ 10 MVA 变流器，而不需要串联或并联。

　　1.4 IGBT 及其功率模块自 1985 年绝缘门极双极型晶体管进入实际应用以来，IGBT 已经成为主流电力电子器件，在 10~ 100 kHz 的中压、中电流应用范围占有十分重要的地位。IGBT 及其模块(包括 IPMs)已经涵盖了 0.6~ 6.6 kV 的电压和 1~3 500 A 的电流范围，应用 IGBT 模块的 100 MW 级的逆变器也已有商品问世。 IGBT 是一种电压全控器件，它的开通和关断可以通过门极驱动实现。IGBT 相对比较容易驱动并具有低的门极驱动功率，IGBT 变流器具有较高的功率密度和较低的成本。

　　1.5 电子注入增强栅晶体管(injection enhanced gate transistor，IEGT)[8] IEGT 兼有 IGBT 和 GTO 两者的某些优点：低饱和压降，宽安全工作区(吸收回路容量仅为 GTO 的 1/10 左右)，低栅极驱动功率(比 GTO 低 2 个数量级)，和较高的工作频率，由于该器件采用了平板压接式电极引出结构，可望有较高的可靠性和良好的散热效果。

　　1.6 采用超级结技术的功率 MOSFET — — COOLMOS 70 年代功率 MOSFET 研究成功，它是典型的多数载流子器件，其静态驱动损耗近于零，而开关速度极快。可是，对于标准的 MOSFET 工艺，其开关频率和功率容量的乘积，器件耐压和电流容量之间的矛盾受到材料极限的限制，如图 1 所示。其通态电阻 Rds正比于 UB 2.5，所以高压功率 MOSFET 通态电阻较大，在开关电源中的应用受到很大局限。尽管如此，功率 MOSFET 在各类开关电源、 3C 产品中占有巨大的市场。特别是超级结技术引入到 MOSFETs 后，上述材料极限已被突破。这类器件的设计理念是通过在有源层内引入三维 PN 结结构，降低PN结周围的最大电场值。以SJ-MOSFET 为例，它在寄生二极管的有源层中采用了垂直 PN 细条的三维结构，它能维持相同的阻断电压，但是由于通过减小垂直 PN 条的宽度，可以大幅度提高 N 型导电区的掺杂浓度，导通电阻得以成比例的减小。采用这个方法，当前最优秀的 COOLMOS 器件的单位面积导通电阻已经降低到相同电压等级传统 MOS 器件的 1/10 以下，开关、驱动损耗可降低 2 倍左右。该器件的问世为功率 MOSFET 的更广泛应用开辟了新的天地。

　　2 关于一些电力电子应用热点的探讨

　　如前所述，电力电子器件及其应用装置已日益广泛地应用和渗透到能源、交通运输、环境、先进装备制造、激光、航空航天及航母、舰船、坦克、第五代战机、激光炮、电磁炮等现代化国防武器装备诸多重要领域，它们涉及到许多电力电子共性基础技术和形形色色电力电子装置和应用系统，本文限于篇幅对各种应用不作详细展开，仅对当前一些电力电子应用热点进行探讨。

　　2.1 风力发电风能是世界各国能源中增长最快的一种。截至 2012年底，全球风力发电装机容量已达282.43 GW，其中，中国、美国、德国位居世界前 3 名，德国提出 2020 年可再生能源发电占到电力消费 35%，其中 50%来自风电[21]。《2012 年中国风电装机容量统计》报告表明， 2012 年，中国(不包括台湾地区)累计装机容量 75.3 GW。尽管受到中国风电产业调整政策的影响，中国风电市场的年增长率将经历一个相对减慢的时期，但是预计 2015 年累计装机容量仍将达到 134 GW，2020 年达到 230 GW，2030 年接近 500 GW，届时将首次超过经合组织欧洲 397 GW 的规模，仅次于经合组织北美地区 666 GW 的预期。全球海上累计装机容量约 5.41 GW，截至 2012 年底，英国海上累计装机容量达 29.5 GW，位居世界第一位[21]，截至 2010 年底，我国海上风电装机容量仅为 142.5 MW，在 2010 年全球海上风电装机总量中占 4%左右。

　　2.2 太阳能光伏发电 20 世纪 50 年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是 1954 年美国贝尔实验室研制出 6%的实用型单晶硅光伏电池;二是 1955 年以色列 Tabor 提出选择性吸收表面概念和理论，并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项技术的突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。从第一次空间应用到现在，光伏产业已经经历了近 50 年的发展历史。过去 10 年，是强劲增长的 10 年，同时预计这种增长仍将在未来数年内持续。 70 年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮。2006 年全球光伏电池的实际产量达到了 2.6 GW，截至 2011 年底，全球累计光伏装机量已达到 67.4 GW，成为仅次于生物质能和风电的第 3 大可再生能源。传统欧洲市场仍然是 2011 年全球光伏发电装机市场增长的主要动力：2011 年欧洲地区 21 GW 的光伏发电装机量占到了全球总装机的约 75%，其中德国和意大利光伏装机为 16.5 GW，占全球光伏装机量的近 60%。截至 2011 年底，中国光伏发电装机量累计达 3 GW，较 2010 年增长了三倍多。2012 年中国光伏装机量累计达 4.5 GW。 2013 年 7 月 15 日，我国出台了《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，提出到 2015 年总装机容量要达到 35 GW 以上。图 18 为 2003—2017 年全球光伏发电累计装机容量示意图。

　　2.3 电动汽车汽车是人们生活的重要交通工具，随着人们生活水平的提高，越来越多的人开始购买汽车。但是，汽车的大量使用带来了能源消耗、资源短缺、环境污染等一系列问题，这些问题促使各大汽车公司竞相研制各种新型无污染的环保车。而电动汽车是以电能为动力，通过电动机将电能转化为机械能，这完全符合零污染汽车的理念。因此，电动汽车作为解决资源短缺、环境污染等问题的重要途径，得到了快速发展。国内外电动汽车发展从动力上来说，目前主要分为 3 种类型：纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力汽车。纯电动汽车完全由二次电池(蓄电池)提供动力;燃料电池汽车以燃料电池作为动力源，利用燃料和氧化剂在催化剂作用下直接经电化学反应产生电能;混合动力汽车则采用内燃机和电动机两种动力，将内燃机与储能器件通过先进控制系统相结合。近年来，随着环境污染和能源危机的加剧，世界各国在电动汽车的研发布局中出现了三者并驾齐驱的局面，电动汽车正朝产业化方向一步步迈进。

　　3 结论

　　1)电力电子是我国国民经济的重要基础技术，是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。时至今日，无论高技术应用领域，还是传统产业，特别是我国一些重大工程(三峡、特高压、高铁、西气东输等)，乃至照明、家电等量大面广的与人民日常生活密切相关的应用领域，电力电子产品已经无所不在。 2)传统的硅基电力电子器件已经逼近了由于寄生二极管制约而能达到的硅材料极限，为突破目前的器件极限，有两大技术发展方向：一是采用各种新的器件结构;二是采用宽能带间隙材料的半导体器件，如 SiC 或 GaN 器件。 3)以硅晶闸管为代表的半控型器件已达到 70 MW/9 000 V 的水平，虽然它受到了全控器件应用的冲击，但由于它技术的成熟性和价格优势，今后仍旧有较好的市场前景，特别在高电压、大电流应用场合还会得到继续发展。 4)硅基全控型电力电子器件本身的技术、制造工艺虽然发展空间已经不太大了，可是它们的待开发的应用空间仍旧十分广阔，应用市场前景无限好。 5)SiC 和 GaN 宽禁带电力电子器件代表着电力电子器件领域发展方向，材料和工艺都存在许多问题有待解决，即使这些问题都得到解决，其价格还是比硅基的贵。由于它们的优异特性，可能主要用于中高端应用。从长远看，将来有可能形成如下一种格局：SiC 电力电子器件将主要用于 1 200 V 以上的高压工业应用领域;预计到 2019 年，硅基 GaN 的价格可能下降到可与硅材料相比拟的水平，GaN 电力电子器件将主要用于 900 V 以下的消费电子、计算机/服务器电源应用领域。 6)对于当前电力电子应用装置/系统的诸多热点问题(绿色能源应用、电动汽车、LED 照明)，我们应当理性思考，抓住发展机遇，挑战电力电子技术应用的明天。

　　参考文献

　　[1] Van Wyk J D.Power electronics technology at the dawn of a new century-past achievements and future expectations [C]//International Power Electronics and Motion Control Conference.Beijing，China：IEEE，2000：9-20.

　　[2] Majumdar G.The future of power devices[C]//Power Electronics Specialists Conference.Aachen，Germany： IEEE，2004：10-15.

　　《电力电子器件及其应用的现状和发展》来源：《中国电机工程学报》，作者：钱照明，张军明，盛况

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