功率器件概述

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1、高压变频技术主讲人：边春元2011年8月内容介绍高压变频器对电网的影响三电平PWM电压源变频器原理三电平PWM整流控制策略PWM整流的基本原理高压变频器对电动机的影响三电平PWM逆变控制策略大容量多电平变换器发展概述IGCT系统现存问题初步探讨功率器件概述一、功率器件概述1、功率器件的发展概况功率器件的发展对大功率应用领域发展的促进作用:器件特性的改善使其开关速度得以提高，同时降低了相关损耗，器件的开关容量也随之提高；包含门级(或栅极、基极)驱动在内的模块化趋势在一定程度上促进了电路设计的标准化。功率器件发展史上的五次突破性发展：一、功率

2、器件概述（续）硅普通晶闸管（SCR）的诞生:1955年GE公司制造出世界上第一个硅整流管(SR)；1957年GE公司制造出第一个硅普通晶闸管(SCR)。由于具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、速度快、使用维护简单等优点，特别是SCR能以微小电流控制较大的功率，因此伴随着自动控制技术的发展，电力半导体器件一诞生便从弱电控制领域进入了强电控制领域。将它用于强电自动化系统取代汞弧整流器，为变流器的固体化、静止化及无触点化奠定了基础，并获得了巨大的节能效果。发展极为迅速，出现了快速晶闸管、光控晶闸管、非对称晶闸管及双向晶闸管等派生晶闸管。它经历了

3、50年代的萌芽生长期、60年代的工艺技术革新和品种开发期、70年代的提高可靠性和扩大应用期，如今已进入大规模生产和成熟应用期。共同特点：换相关断、大电流、高电压、工作频率在几百Hz到一千Hz。一、功率器件概述（续）GTO、GTR和MOSFET等全控型器件的出现及批量生产:1960年GE公司的Van.Liaten和Navon描述了门极关断PNPN开关，首次提出GTO的设想，经美国A.K.Jonscher、Makintosh和Golde.Y在理论和控制方法进行完善；1962年美国T.A.Lougo用平板外延工艺研制出第一个GTO；1973年，

4、GE公司在GTO的设计制造工艺上有所突破。该公司的Wolley发明了采用扩金技术以缩短关断时间并控制关断增益，采用放大门极和叉指状渐开线的门-阴极结构以提高GTO的灵敏度和关断能力，采用放大门极二极管分流器以降低GTO关断时的门极阻抗，此后GTO才开始批量生产。20世纪60-70年代出现的全控型器件可简单的实现电力电子设备中的变频、逆变及斩波，特别是频率提高后易于实现“最佳频率”用电，为电力电子设备的小型化、高效化创造了条件。GTR和GTO虽具有高耐压、大电流的优点，但均属于电流型控制器件，基极和门极的输入阻抗较小，需要消除积存的载流子，

5、所以存在开关频率仍较低（一般小于4KHz）等不足。同时，在大功率系统应用时，要求提供较大的驱动电流，常因驱动电路性能不好而损坏，因而限制了它们的应用。一、功率器件概述（续）IGBT、MCT和IGCT等双机理复合电力半导体器件的开发:电力MOSFET虽然具有电压驱动、驱动功率小、速度性能好等优点，但限于制造技术及材料水平，短时间难以制成高耐压、大电流的器件。20世纪80年代开发出了双机理复合电力半导体器件IGBT,MCT,IGCT。它们发挥了GTR、GTO以及电力MOSFET的共同优点，扬弃其缺点，这类器件的栅极为MOS结构，而输出极为GT

6、R、GTO或SCR结构。这些器件兼有构成它的两种器件的共同优点：高耐压、低功耗、易驱动、高频率。现在IGBT的单管容量己超过GTR的水平，IGBT的开关频率已可与MOSFET相媲美，并己开始在电力电子设备中取代电力MSOFET、GTO和GTR。一、功率器件概述（续）功率集成电路（PIC）的出现:20世纪80年代中期，半导体材料学及电力半导体器件制造工艺技术的发展和电力电子设备的发展要求，促使第四代电力半导体器件——功率集成电路的出现；1981年试制成功功率集成电路（PIC），它将电力半导体器件及其驱动电路、保护电路、检测电路与外部微机和C

7、PU连接的接口电路制造在一个封装内，经过10多年的发展，PIC己分为高压PIC（HVPIC）和智能PIC（SPIC）两大类。PIC实现了电力电子技术与微电子技术两大半导体分支的结合，完成了“电力电子——微电子”的紧密结合，实现了动力信号一体化，实现了物质流与信息流的结合，将电力电子技术推向了一个崭新的时代。一、功率器件概述（续）IGCT、高压IGBT和IEGT的出现:20世纪80年代中期，人们普遍看好MCT（MOS控制晶栅管），其原因在于当时美国GE公司己有产品，美国的Harris公司己可批量向市场提供这类器件。MCT是一个MOS门的PN

8、PN晶闸管，它可以在MOS门上加一个窄脉冲控制其导通和关断，与其他电力半导体器件不同的是，MCT具有小细胞结构，而其器件具有大量并联而匹配的单胞。它的频率与IGBT差不多，但其低的通态压降是一