電子電子器件的發(fā)展、分類(lèi)與應用

1、電力電子器件及其發(fā)展現狀

　　電力電子技術(shù)(power electronic technology)是以電力為對象的電子技術(shù)，是一門(mén)利用電力電子器件對電能進(jìn)行轉換與控制的新興學(xué)科。電力電子技術(shù)包括如下三大部分：

　　(1)    電力電子器件(power electronic device)；

　　(2)    電力電子(功率)交流技術(shù)(power conversion technique)，包括改變頻率、電壓、電流及變換相數等；

　　(3)    控制技術(shù)。

　　電力電子技術(shù)的應用已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì )生產(chǎn)的各個(gè)方面。典型的用途如電化學(xué)、直流傳動(dòng)、交流傳動(dòng)、電機勵磁、電鍍及電加工、中頻感應加加熱、交流不間斷電源、穩定電源、電子開(kāi)關(guān)、高壓靜電除塵、直流輸電和無(wú)功補償等。電力電子技術(shù)已成為傳統產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)，可以有效地節約能源，并成為新能源(燃料電池、太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電等)與電網(wǎng)的中間接口。

　　1948年普通晶體管的發(fā)明引起了電子工業(yè)革命。半導體器件首先應用于小功率領(lǐng)域，如通信、信息處理的計算機。1958年，從美國通用電氣公司研制第一個(gè)工業(yè)用的普通晶閘管開(kāi)始，大大擴展了半導體器件功率控制的范圍。電能的變換和控制從旋轉的變流機組、靜止的離子變流器進(jìn)入到以電力半導體器件組成的變流器時(shí)代，這標志著(zhù)電力電子技術(shù)的誕生，晶閘管為電力電子學(xué)科的建立立下了汗馬功勞。晶閘管是半控型器件，不能自關(guān)斷，屬于第一代電力電子器件。至今晶閘管及其派生器件仍廣泛應用于各種變流器，并且還在發(fā)展中。由于包括晶閘管在內的電力電子器件具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、響應快等特點(diǎn)，用它構成的變流裝置具有可靠性高、壽命長(cháng)、容易維護等優(yōu)點(diǎn)，特別是它可節約能源；所以得到飛速的發(fā)展?？梢哉J為電力電子學(xué)就是應用在電力技術(shù)領(lǐng)域中的電子學(xué)，它是電氣工程中電力、電子和控制三大主要領(lǐng)域之間的邊緣學(xué)科。

　　30多年來(lái)，隨著(zhù)半導體制造技術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展，一代又一代的電力電子器件相繼問(wèn)世，使它的應用領(lǐng)域迅猛擴大，如交流電機變頻調速技術(shù)的蓬勃發(fā)展和日益迫切需要可控制關(guān)斷的(即自關(guān)斷的)電力電子器件(全控型器件)；因此相繼出現了電力晶體管(GTR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)等，這些可稱(chēng)為第二代電力電子器件。

到20世紀80年代后期，出現了以絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)為代表的復合型器件。IGBT是MOSFET和GTR的復合，它是用MOSFET驅動(dòng)雙極型晶體管，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。與此相仿，MCT（MOS controlled thyristor）是MOSFET驅動(dòng)晶閘管的復合器件，集場(chǎng)效應晶體管與晶閘管的優(yōu)點(diǎn)于一身，被認為是性能最好，最有發(fā)展前途的一種新器件。

　　這些電力電子器件的形成及發(fā)展過(guò)程可用圖1所示的樹(shù)型圖來(lái)表示。

　　可以說(shuō)，20世紀70年代評價(jià)電力電子器件的品質(zhì)因數的主要標準是大容量，即電流與電壓的乘積。到20世紀80年代，器件發(fā)展的主要目標是高頻化，所以評價(jià)器件品質(zhì)因數的標準是功率與頻率的乘積。到20世紀90年代，電力電子器件發(fā)展的主要目標是高性能化，即大容量、高頻率、易驅動(dòng)、低損耗。因此評價(jià)器件品質(zhì)因數的主要標準是容量、開(kāi)關(guān)速度、驅動(dòng)功率、通態(tài)壓降、芯片利用率。為了實(shí)現這一高性能化，將出現許多重要的工藝，如平面工藝、大規模集成工藝、多層金屬化、厚膜技術(shù)和高能量技術(shù)。{{分頁(yè)}}

2、常用電力電子器件的分類(lèi)及其應用領(lǐng)域

　　電力電子器件的種類(lèi)很多，按開(kāi)關(guān)控制性能劃分；如圖2所示。

　　表1歸納了常用電力電子器件的特性、代表性應用領(lǐng)域及常見(jiàn)生產(chǎn)企業(yè)。

3、電力電子器件的發(fā)展趨勢

　　電力電子器件的發(fā)展趨勢主要體現在以下幾方面。

　?。?） 制作材料新型化。新型材料砷化鎵(CaAs)、鎵鋁砷(GaAlAs)、碳化硅和金剛石等將得到發(fā)展和應用。其中，以碳化硅最有前途，已有相關(guān)樣品，且研究表明，用碳化硅制作出的電力電子器件，工藝與硅材料部分兼容，但用碳化硅制作的器件的性能要比硅器件優(yōu)良得多。{{分頁(yè)}}

　?。?） 制造工藝和技術(shù)將得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，可望有新的突破。其目的是提高各種電力電子器件的容量，使其具有更高的電壓、更大的電流、更快的開(kāi)關(guān)速度及更小的通態(tài)壓降。

　?。?） 冷卻技術(shù)將另辟蹊徑。雖然器件的冷卻技術(shù)從自然冷卻、風(fēng)冷、水冷、油冷、熱管冷卻發(fā)展到沸騰冷卻；但從保護臭氧層出發(fā)，采用氟利昂的沸騰冷卻技術(shù)將不斷得到廣泛地應用。這就要求用冷卻材料和技術(shù)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新型的電力電子器件。

　?。?） 各種電力電子器件將朝著(zhù)高壓、大電流及高頻率方向發(fā)展，SCR、GTR短時(shí)間不會(huì )退出歷史舞臺。目前，高壓IGBT已對傳統GTO技術(shù)提出了挑戰，而對傳統GTO的巨大改進(jìn)，則產(chǎn)生了集成門(mén)極換向晶閘管IGCT技術(shù)。在中、高壓功率應用中，要求將成熟的低損耗晶閘管技術(shù)與無(wú)吸收高性能價(jià)格比的門(mén)極關(guān)斷特性有機地結合起來(lái)。迄今為止，IGBT與IGCT是符合這種要求的最佳器件。地未來(lái)的一段時(shí)間里，將是各種電力電子器件擴大容量、取長(cháng)補短、公平競爭、共同發(fā)展的時(shí)代，它們各自的性能價(jià)格比將直接影響其自身發(fā)展速度和應用領(lǐng)域。圖3給出了2000年相對1996年部分電力電子器件達到的功率、頻率及占領(lǐng)市場(chǎng)的功率范圍。

　?。?） 各種電力電子器件將高度模塊化。電力電子器件模塊的電壓、電流及頻率都將進(jìn)一步提高，而體積可望隨新材料的出現而減小，有可能深入到各個(gè)領(lǐng)域，進(jìn)而取代一大批分立式電力電子器件。

　?。?） PIC的應用領(lǐng)域將進(jìn)一步擴大。將出現電力電子器件與微電子線(xiàn)路高度集成的模塊，它將進(jìn)入視聽(tīng)、大屏幕顯示、辦公自動(dòng)化、汽車(chē)工業(yè)、機器人、工廠(chǎng)自動(dòng)化及家庭自動(dòng)化領(lǐng)域。與其他替換產(chǎn)品相比，PIC能以較低的成本或更高的可靠性達到特定的功能，所以它的批量使用將推動(dòng)電力電子技術(shù)的進(jìn)步。