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电力电子器件的最新发展趋势

2012-03-24 11:17
科技潮人
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  现代的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(航天、激光、通信、机器人等)至关重要,从而已迅速发展成为一门独立学科领域。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。近几年西方发达的国家,尽管总体经济的增长速度较慢,电力电子技术仍一直保持着每年百分之十几的高速增长。

  从历史上看,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。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。

  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:在截止状态时能承受高电压;在导通状态时,具有大电流和很低的压降;在开关转换时,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。

  自从50年代,硅晶闸管问世以后,20多年来,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的努力,并已取得了使世人瞩目的成就。60年代后期,可关断晶闸管GTO实现了门极可关断功能,并使斩波工作频率扩展到1kHz以上。70年代中期, 高功率晶体管和功率 MOSFET问世,功率器件实现了场控功能,打开了高频应用的大门。80年代,绝缘栅门控双极型晶体管 (IGBT) 问世,它综合了功率 MOSFET和双极型功率晶体管两者的功能。它的迅速发展,又激励了人们对综合功率MOSFET和晶闸管两者功能的新型功率器件- MOSFET门控晶闸管的研究。因此,当前功率器件研究工作的重点主要集中在研究现有功率器件的性能改进、MOS门控晶闸管以及采用新型半导体材料制造新型的功率器件等。下面就近几年来上述功率器件的最新发展加以综述。

  一、 功率晶闸管的最新发展

  1.超大功率晶闸管

  晶闸管(SCR)自问世以来, 其功率容量提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产8kV / 4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV / 4kA和6kV / 6kA的光触发晶闸管(LTT)。美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。近十几年来,由于自关断器件的飞速发展,晶闸管的应用领域有所缩小,但是,由于它的高电压、大电流特性,它在HVDC、静止无功补偿(SVC)、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍占有十分重要的地位。预计在今后若干年内,晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。

  现在,许多生产商可提供额定开关功率36MVA ( 6kV/ 6kA )用的高压大电流GTO。传统GTO的典型的关断增量仅为3~5。GTO关断期间的不均匀性引起的“挤流效应”使其在关断期间dv/dt必须限制在500~1kV/μs。为此,人们不得不使用体积大、昂贵的吸收电路。另外它的门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。但是,高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量和有可能在内部集成一个反并二极管,这些突出的优点仍使人们对GTO感到兴趣。到目前为止, 在高压(VBR > 3.3kV )、大功率(0.5~20 MVA)牵引、工业和电力逆变器中应用得最为普遍的是门控功率半导体器件。目前,GTO的最高研究水平为6in、6kV / 6kA以及9kV/10kA。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功率电压源的需要,近期很有可能开发出10kA/12kV的GTO,并有可能解决30多个高压GTO串联的技术,可望使电力电子技术在电力系统中的应用方面再上一个台阶。

  2.脉冲功率闭合开关晶闸管

  该器件特别适用于传送极强的峰值功率(数MW)、极短的持续时间(数ns)的放电闭合开关应用场合,如:激光器、高强度照明、放电点火、电磁发射器和雷达调制器等。该器件能在数kV的高压下快速开通,不需要放电电极,具有很长的使用寿命,体积小、价格比较低,可望取代目前尚在应用的高压离子闸流管、引燃管、火花间隙开关或真空开关等。

  该器件独特的结构和工艺特点是:门-阴极周界很长并形成高度交织的结构,门极面积占芯片总面积的90%,而阴极面积仅占10%;基区空穴-电子寿命很长,门-阴极之间的水平距离小于一个扩散长度。上述两个结构特点确保了该器件在开通瞬间,阴极面积能得到100%的应用。此外,该器件的阴极电极采用较厚的金属层,可承受瞬时峰值电流。

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