电力电子器件的演进与未来

1.功率半导体技术

功率半导体技术是电力电子技术的基础与核心，随着微电子技术的发展，以栅控功率器件与智能功率集成电路为代表的现代功率半导体技术从20世纪80年代以来得到了迅速发展，进而极大地推动了电力电子技术的进步。而电力电子技术的不断进步反过来又促使功率半导体技术向高频、高温、高压、大功率及智能化、系统化的方向发展。电力电子技术的发展动力来源于各种应用的发展，电力电子技术在其发展的头二、三十年中（20世纪60～80年代）主要应用于工业和电力系统。近一、二十年来，由于4C（Communication—通信、Computer—计算机、Consumer—消费电器、Car—汽车电子）产业的迅速发展，电力电子技术的覆盖面也有了很大的变化，已覆盖了关系到国家科技发展的多个领域。

功率半导体器件的发展为上述各种新应用的发展提供了实现的可能性，功率半导体器件的发展已经迈出了两大步：第一步是各种类型的晶闸管，这是电力电子技术头二、三十年发展的基础；第二步是各种类型的MOS（Metal-Oxide-Semiconductor，金属-氧化物-半导体）器件，它为4C产业的发展提供了扎实的基础。当前功率半导体器件的发展正在迈出第三步，即功率半导体器件（电力电子器件）和微电子器件的紧密结合。表现为下述三个方面：

1）新型功率半导体的芯片制造技术已和集成电路制造技术十分接近，都属于亚微米甚至向深亚微米技术发展。

2）功率半导体的封装技术越来越趋近于微电子器件，如近年来集成电路封装所采用的球栅阵列（BGA）等技术已引入到功率半导体的外壳封装技术上。但功率半导体的封装仍保持其原有特色，如为了更好地散热而采用传统大功率器件的双面散热技术。

3）高电压大功率半导体器件与低电压集成电路集成在同一芯片中，或是在同一封装中，功率半导体器件的封装技术已形成了向在一个封装中具有多芯片模块（MCM，Multi-chip Module）发展的趋势。这些最新进展促使各种电力电子装置的电气性能更优，体积更小，效率及可靠性更高；更有利于实现生产的自动化和规模化，从而降低成本，更宜于推广应用。

信息电子或微电子不仅是电力电子技术发展的合作伙伴，在工艺上互通有无，而且也是电力电子的主要用户。从某种意义上说，正是信息电子技术对功率器件性能和功率不断提出高、精、尖的要求，才促成了功率半导体器件和技术的快速发展。提高功率转换、传送和控制的效率，一直是电力电子技术所追求的目标，是电力电子学的主要特征之一，也是这门技术学科与信息电子学在技术上的主要区别。对于信息处理用的低电平电路，降低功耗一直是个大课题，而效率往往并不是它的重要话题，然而，对于电力电子技术中的功率转换电路，不能容忍其效率低于85%。如今，功率转换的效率可以达到90%以上。然而，人们继续从功率器件和系统两方面努力，进一步提高它的效率。效率高，则功率损耗低，也即减少了能量消耗，现在全世界都在关注节能问题。同时，效率高，损耗低，可以降低对散热的要求，可以缩小散热器的体积，甚至可以不用散热装置，这样可以减少整机的体积、重量，间接地又提高了整机设备的可靠性、并降低其成本。

电力电子技术的发展又表现为功率半导体器件在功率变换中的广泛应用，近年来的发展表现十分强劲，以致出现一个新的术语去描述它，即所谓功率管理。它的内涵不同于功率变换，而是一种更为扩展和准确的描述。如广泛应用的功率因数校正（PFC，Power Factor Cor-rection）技术，显然用功率管理来描述更为恰当，当前很多论文及杂志都已采用了这个名词去描述电力电子技术的这一最新特征。

2.功率半导体器件的发展阶段

功率半导体器件经过了50多年的发展，在器件制造技术上不断提高，已经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管（GTO，gate turn-off thyristor）、巨型晶体管（GTR，gigantic transistor）、功率MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transist，金属-氧化物-半导体场效应晶体管）或IGBT为代表的功率集成器件（Power Integrated Devices，PID），以智能化功率集成电路（Smart Power Integrated Circuit，SPIC）、高压功率集成电路（HVIC，high voltage integrated circuit）为代表的功率集成电路（Power Integrated Circuit，PIC）等三个发展时期。具体可分为四个阶段。

第一阶段：以整流管、晶闸管为代表的发展阶段，其在低频、大功率变流领域中的应用占有优势，很快便完全取代了汞弧整流器。

第二阶段：以GTO、GTR等全控器件为代表的发展阶段，虽仍属电流型控制模式，但其应用使变流器的准高频化得以实现。(www.xing528.com)

第三阶段：以功率MOSFET、IGBT等电压型全控器件为代表的发展阶段，可直接用IC进行驱动，高频特性更好，在此阶段器件制造技术已进入了和微电子技术相结合的初级阶段。即在电力电子器件与电子器件发展的道路上，经历了一段时间的各自研发之后，又走到互相渗透、互相推进创新的阶段。

第四阶段：以SPIC、HVIC等功率集成电路为代表的发展阶段，使电力电子技术与微电子技术更紧密地结合在一起，是将全控型电力电子器件与驱动电路、控制电路、检测电路、保护电路、逻辑电路等集成在一起的高度智能化的功率集成电路。它实现了器件与电路的集成，强电与弱电、功率流与信息流的集成，成为机和电之间的智能化接口，机电一体化的基础单元，预计功率集成电路（SPIC）的发展将会使电力电子技术实现第二次革命，进入全新的智能化时代，这一阶段还处在不断的发展中。

图1-1所示为各种主要功率半导体器件，暂且把功率半导体器件分为三类：即传统的双极性器件，功率MOSFET及其相关器件，特大功率器件等。从晶闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到PID、SPIC，通过栅极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件，从而实现了真正意义上的“可控硅”。在器件的控制模式上，从电流型控制模式发展到电压型控制模式，不仅大大降低了栅极的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率由工频→中频→高频不断提高。目前，正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化和复合化方向发展。

图1-1 功率半导体器件概貌

目前，应用在中压大功率领域的电力电子器件，已形成GTO、IGCT（Integrated Gate Commutaed Thyristors，集成门极换流晶闸管）、IGBT、IEGT（Injection Enhanced Gate Tran-sistor，增强注入栅晶体管）相互竞争不断创新的技术市场，在大功率（1MW），低频率（1kHz）的传动领域，如电力牵引机车领域，GTO、IGCT有着独特的优势，而在高载波频率的应用领域，IGBT、IEGT有着广阔的发展前景，在现阶段中压大功率应用领域将由这四种电力电子器件构成其主流器件。

在器件结构上，从分立器件发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块，继而发展为功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路、保护电路等组合在一起的智能模块。功率集成器件从单一器件发展到模块的速度更为迅速，今天已经开发出具有智能化功能的IPM。具有代表性的电力半导体器件与模块的发展概况见表1-1。

表1-1 具有代表性的电力半导体器件发展概况

最近20年来，功率器件及其封装技术的迅猛发展，导致了电力电子技术领域的巨大变化。当今的市场要求电力电子装置具有宽广的应用范围、量体裁衣的解决方案、集成化、智能化、更小的体积和重量、效率更高的芯片、更加优质价廉、更长的寿命和更短的产品开发周期。在过去的数年中，已有众多的研发成果不断提供经济安全的新解决方案，从而将功率模块大量地应用到一系列的工业和消费领域中。功率半导体技术的发展为高频变换产品的开发，为变流器实现高频化、小型化、轻量化，为节能、节材、提高效率与可靠性奠定了基础。