摘要：本文简单回顾了电力电子器件的发展历程，探讨了不同时期电力电子器件所表现出的主要特点，并对不同阶段有代表性的电力电子器件的工作原理，应用情况作以简单介绍
关键词：电力电子器件,发展,综述,SCR,IGBT,IGCT,IPEM,

A Simple Survey on development of Electronics Components
Ma Xiao
Abstract：This paper briefly reviews the development of electronics components, discusses the main characteristics of electronics components in different phase of the development, and introduces the working principles and applications of representative electronics components
Key words: electronics components,development,survey,SCR,IGBT,IGCT,IPEM,

1．引言

随着现代科学技术突飞猛进地发展，科技领域内新发现、新思想、新概念、新方法不断涌现，与此同时，不同学科的交叉、渗透和综合趋势也在日益增强，在此基础上各种新学科和新方向层出不穷。电力电子是在70年代中期以一个独立学科出现的。1973年在美国电气学会主办的电力电子学大会上，对电力电子学下了如下定义:“电力电子学是研究电力、电子和控制的边缘领域的技术学科”。
 

电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其对节能、减小环境污染，改替工作条件，节省原材料，降低成本和提高产等方面均起着十分重要的作用，所以，电力电子技术无论对改造传统工业(电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等)，还是对新建高技术产业(航夭、激光、通信、机器人等)和高效利用能源均至关重要，从而已迅速发展成为一门独立的技术、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。近几年来世界上经济高度发达的国家，尽管经济总体的增长速度较慢，但在这些国家中，电力电子技术的发展仍一直保持着每年增长百分之十几的高速度。
“一代器件决定一代电力电子技术。”从历史上看，功率器件往往是燃起电力电子技术革命的火种。每一代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。从l958年美国通用电气(GE)公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。80年代末期和90年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，标志着传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。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，它对提高装置的各项技术指标和技术性能，却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，一直是电力电子技术极为活跃的主要课题之一。而对于电力电子器件发展历程的了解，也有助于科学工作者更好的掌握电力电子技术发展的动向。

2．传统电力电子器件――从半控器件到全控器件

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，其可靠性决定了装置和系统的可靠性。
众所周知，一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性;在阻断状态时能承受高电压；在导通状态时，具有高的电流密度和低的导通压降;在开关状态;转换时，具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和dv/dt,以及具有全控功能。但是，电力电子器件并不是从诞生之初就达到了这些要求的。从最开始的不可控的功率半导体器件，发展到后来的以晶闸管（SCR）为代表的半控器件，再到后来的门极可关断晶闸管（GTO），大功率双极型晶体管（GTR）等全控器件，中间经历了一个相当长的过程。

2.1半控器件（晶闸管及其派生器件）

图1 晶闸管

从20世纪50年代年美国通用电气(GE)公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始， 标志着电力电子技术的开端。
晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器(SCR)，又称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一晶闸管产品，并于1958年使其商业化。结构上，晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极（A），阴极（K）和门极（G），其工作条件为：①晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受和种电压，晶闸管都处于关短状态。②晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。③晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。④晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。
显然，晶闸管是一种无自关断能力的的半控器件，应用中必须考虑其关断问题，电路结构必须设置关断（换流）电路，大大复杂了电路结构，增加了成本。此外，晶闸管开关频率也不高，难于实现变流装置的高频化。
在晶闸管后，晶闸管的派生器件越来越多， 到了70年代，已经派生了快速晶闸管（FST）、逆导晶闸管（RCT）、双向晶闸管（TRIAC）等半控型器件， 这些器件的性能日益完善，比如，快速晶闸管的开通速度和关断时间均比普通晶闸管有大幅提高，逆导晶闸管在结构上式反并联的晶闸管和大功率二极管的集成，具有正向压降小，关断时间短，换流快速的优点。但是由于晶闸管的固有特性，工作频率较低(一般低于400HZ)，大大限制了派生元件的应用范围。

2．2全控器件（GTO，GTR，P-MOSFET）

从60年代后期开始，以门极可关断晶闸管（GTO）、大功率晶体管（GTR）和电力场效应晶体管（P-MOSFET）为代表全控型器件逐步产生。其特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路。这些优越的特性使电力电子技术的面貌焕然一新，把电力电子技术推进到一个新的发展阶段。
1964年，美国第一次试制成功了500V/10A的GTO。在此后的近10年内，GTO的容量一直停留在较小水平，只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进行试用。自70年代中期开始，GTO的研制取得突破，相继出世了1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A的产品，目前已达9kV/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。GTO有对称、非对称和逆导三种类型。与对称GTO相比，非对称GTO通态压降小、抗浪涌电流能力强、易于提高耐压能力(3000Ｖ以上)。逆导型GTO是在同一芯片上将GTO与整流二极管反并联制成的集成器件，不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中。在当前各种自关断器件中，GTO容量最大、工作频率最低(1~2kHz)。GTO是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流；GTO通态压降大、du/dt及di/dt耐量低，需要庞大的吸收电路。目前，GTO虽然在低于2000V的某些领域内已被GTR和IGBT等器件所替代，但它在大功率电力牵引中有明显优势；今后，它也必将在高压领域占有一席之地。

图2 GTO

大功率晶体管（GTR）是一种电流控制的双极双结电力电子器件，产生于20世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，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、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被P-MOSFET和IGBT所代替。

图3 音像用GTR

功率场效应晶体管（P-MOSFET）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；仅由多数载流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达100kHz以上，为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合；没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。P-MOSFET的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。

图4 P-MOSFET

和晶闸管电路的相位控制方式相对应，采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。PWM控制技术在电力电子变流技术中占有十分重要的位置，它在逆变、斩波、整流、变频及交流电力控制中均可应用。它使电路的控制性能大为改善，使以前难以实现的功能也得以实现，对电力电子技术的发展产生了深远的影响。
在此后以绝缘栅极双极晶体管(IGBT)为代表的各种高频率的全控型器件不断问世， 并得到迅速发展。逐渐形成了一个新型的全控电力电子器件的大家族，同时也标志着电力电子技术和电力电子器件的发展进入了一个新的历史阶段。

3．现代电力电子器件――集成化与模块化的电力电子器件

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。当人们在分别研究晶体管和场效应管的时候，分别遇到了晶体管的开关频率不能再提高和驱动功率大问题，大电流大功率是晶体管的优势。而场效应管功率不容易做大，但其开关频率很高，驱动功率很小为电压驱动型。在这一对矛盾的共同体中，人们想到了结合，也就是取长补短从观念上、认识上突破，研制出新一代功率器件IGBT，其诞生标志着传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

3．1 IGBT

图5 IGBT示意图

绝缘门极双极型晶体管（IGBT）是由美国GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，它属于少子器件类， 却兼有了P-MOSFET 和GTR的优点：高的输入阻抗(容抗性质)、开关速度快、安全工作区宽；饱和压降比较低，甚至接近GTR 的饱和压降，耐压高、电流大等。诞生初期IGBT容量仅500V/20A，且存在一些技术问题。经过几年改进，IGBT于1986年开始正式生产并逐渐系列化。至90年代初，IGBT已开发完成第二代产品。目前，第三代智能IGBT已经出现，科学家们正着手研究第四代沟槽栅结构的IGBT。IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使IGBT导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使IGBT因流过反向门极电流而关断。IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和P-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，因此备受人们青睐。它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。
比较而言，IGBT的开关速度低于P-MOSFET，却明显高于GTR；IGBT的通态压降同GTR相近，但比P-MOSFET低得多；IGBT的电流、电压等级与GTR接近，而比功率MOSFET高。目前，其研制水平已达4500V/1000A。由于IGBT具有上述特点，在中等功率容量(600V以上)的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中，IGBT已逐步替代GTR成为核心元件。另外，IR公司已设计出开关频率高达150kHz的WARP系列400～600VIGBT，其开关特性与P-MOSFET接近，而导通损耗却比P-MOSFET低得多。该系列IGBT有望在高频150kHz整流器中取代P-MOSFET，并大大降低开关损耗。

3．2 MCT，IGCT和IEGT

在IGBT之后，又有很多种的复合型电力电子器件被研制出来，其中MCT，IGCT和IEGT以其优异的自身特性尤其受到人们的关注。
MOS控制晶闸管（MCT）最早由美国GE公司研制，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元组成，而每个元又是由一个PNPN晶闸管、一个控制MCT导通的MOSFET和一个控制MCT关断的MOSFET组成。MCT工作于超掣住状态，是一个真正的PNPN器件，这正是其通态电阻远低于其它场效应器件的最主要原因。MCT既具备功率MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是IGBT或GTR的1/3，而开关速度则超过GTR。此外，由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面积通断，故MCT具有很强的导通di/dt和阻断dV/dt能力，其值高达2000A/ s 和2000V/ s。其工作结温亦高达150～200℃。同时它还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缺点。MCT被认为是目前众多的新型功率器件中很有发展前途的器件。

图6 MCT等效电路图

MCT器件自上世纪80年代末期产生，虽然发展时问较短，但是MCT在国外已经发展到了很高的水平。MCT器件的最大可关断电流已经达到了300A，最高阻断电压为3000V，可关断电流密度为325A/cm ，且已试制出由12个MCT 并联组成的模块。
MCT的应用也达到了相当高的水平，美国西屋公司报导其采用MCT开发1OkW 高频串并联谐振DC-DC变流器的研究情况，已得到了令人瞩目的功率密度(6．1w/Cm)和高可靠的运行。据报导，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9A/300VMCT样品。MCT的研究与应用正在全面展开，随着性能价格比的不断优化，MCT将逐渐走入应用领域并有可能取代高压GTO，与IGBT的竞争亦将在中功率领域展开。
集成门极换流晶闸管（IGCT）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。它的应用使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。

图7 IGCT器件

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同以低电感方式连接，结合了晶体管和晶闸管两种器件的优点，即晶体管的稳定的关断能力和晶闸管的低通态损耗的一种新型器件。IGCT在导通期间发挥晶闸管的性能，关断阶段呈类似晶体管的特性。IGCT 具有电流大、电压高、开关频率高、町靠性高、结构紧凑、损耗低的特点。此外，IGCT还像GTO一样，具有制造成本低和成品率高的特点，有极好的应用前景。
在上述这些特性中，有效硅面积小，低损耗、快速开关、内部机械部件极少这些优点保证了IGCT可以较低的成本，紧凑、可靠、高效率地用于300KVA－10 MVA变流器，而不需要串联或并联。如用串联，逆变器功率可扩展到100 MVA范围而用于电力设备。想对于高压IGBT来讲，虽然高功率的IGBT模块具有一些优良的特性，如能实现di/dt 和dv/dt的有源保护等，但是，高的导通损耗、低的硅有效面积利用率、损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点，局限了高频率IGBT模块在高频率低频变流器中的实际应用。因此在大功率MCT未问世以前，IGCT可望成为高功率高电压低频变流器的优选功率器件之一。
电子注入增强栅晶体管（IEGT）是耐压4kV 以上的高耐压IGBT系列电力电子器件，同时又是通过采取增强注入的结构以实现低通态电压、使大容量电力电子器件取得飞跃性发展。现已经经历了实际应用的初期阶段，进入了通过特性改良以实现更高性能目标的发展期。
IEGT本质上具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，预示着它是未来的重要发展方向。低损耗、高速动作等基本的芯片性能会不断提高自不必说，6kV级的高耐压化、有源栅驱动的智能化、以及沟槽结构的采用等特性改良措施、多芯片并联而自均流的特征
也都孕育其并联驱动以进一步扩大电流容量的巨大潜力。另外，通过模块封装它还具有多样化联接的众多派生产品的灵活性，它作为中大容量变换器的突破点被寄予厚望。
由日本东芝开发的IEGT，利用了“电子注入增强效应”，使之兼有IGBT和GTO两者的优点：低的饱和压降，宽的安全工作区(吸收回路容量仅为GTO的1/1 0左右)，低的栅极驱动功率(比GTO低两个数量级)和较高的工作频率。加之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， 目前该器件已经达到4.5kV/1500A的水平。

图8 IEGT原理及符号

3．3功率半导体模块――IPEM和PEBB

仅是多年来，电力电子器件研制和开发重的一个共同趋势是模块化，即把同类的电力电子器件或不同类的一个或多个开关器件，按照一定的电路拓扑结构连接并封装在一起的电力电子器件组合体。模块化的电力电子器件可以缩小开关电路装置的体积，降低成本，提高可靠性，更重要的是减小了线路电感，在高频工作时可以简化对保护，缓冲电路的要求。
作为将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。集成电力电子模块（IPEM）的组成过程如下：首先将半导体器件MOSFET、IGBT或MCT与二极管的芯片封装在一起组成一个积木单元，然后将这些积木单元迭装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上，在它的下面依次是铜基板、氧化铍瓷片和散热片。在积木单元的上部则通过表面贴装将控制电路、门极驱动、电流和温度传感器以及保护电路集成在一薄层绝缘层上，为一个典型的电力电子模块。

图9 一种典型的IPEM模块

IPEM的封装是在一块冷板上进行，微处理控制器直接与IPEM接口以提供合适的功能信号。IPEM可实现从电源到负载之间的滤波、整流(AC/DC)、逆变(DC/AC)或直流变换(DC-DC)的电路功能。通过IPEM人们可以实现电力电子技术的智能化和模块化，并大大降低电路接线电感和提高系统的效率。它可广泛地用于机器人、航天、电动汽车、变频调速和移动通讯等工业领域中。美国已开发了第二代的IPEM，其中所有的无源元件都是以埋层的方式掩埋在衬底中。第三代的IPEM将集成高温碳化硅Sic器件并改进多层材料的热导率。IPEM完全取消了传统模块封装中的粗线键合工艺，取而代之的则是三维立体组装，从而大大提高了可靠性，并降低了系统的噪音和寄生振荡。
l997年前后美国政府、军方及电力电子技术领域一些著名学者共同提出电力电子积木（PEBB）的概念，可以说PEBB是在IPEM 的基础上发展起来的。PEBB是可以处理电能集成的器件或模块。一个PEBB并不是一种特定的半导体器件，一种无源器件或一种电路结构，它是依照最优的电路结构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。一种典型的PEBB如图7所示。虽然它看起来很象一种典型的功率半导体模块，但PEBB 包括的东西更多，除了功率半导体器件外，它还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。作为一种模块化产品，PEBB有两种接口：能量接口和通讯接口。通过这两种接口，几个PEBB 可以组成电力电子系统，这些系统可以象小型的DC-DC转换器一样简单，也可以象大型的分布式电力系统一样复杂。一个系统中PEBB的数量可以从一个到所需要的任何数量。多个PEBB模块一道工作可以完成系统级的功能。

图10 一种典型的PEBB

目前高可靠性的IPEM和PEBB已经成为近期美国电力电子技术发展新热点。美国海军研究部已投巨资由美国的著名大学和公司来开发IPEM和PEBB。现已进人商品化阶段。

4．结语

进入到二十一世纪，随着科学技术的进一步发展，电力电子器件也在不断向着更新更高的标准飞速发展着。许多新型的电力电子器件目前正在紧锣密鼓的研发当中。如第四代沟槽（Trench）结构的IGBT和基于新型材料的Sic器件等，都具有良好的发展前景。
众所周知，目前电力电子器件的应用已深入到工业生产和社会生活的各个方面，实际的需要必将极大地推动器件的不断创新。在新的世纪里，电力电子器件的不断发展必将会为新一轮电力电子技术的发展带来新的机遇与挑战，也会为人类在新世纪的各行各业的发展作出新的贡献。

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