第1章 现代电力电子器件的开关特性

1.1 概述

电力电子器件是电力电子技术发展的物质基础，它从根本上决定了电力电子设备的先进性和可靠性。一般认为，美国通用电气公司于1957年制造出的世界上第一只容量为16A的普通晶闸管（即SCR——可控硅整流管），标志着电力电子器件和电力电子学的诞生。

晶闸管因其方便地实现了弱电对强电的控制，因而迅速取代了水银整流器，在工业界掀起了一场技术革命，使中大功率的各种变流装置和电动机传动控制系统得到了快速的发展。直到20世纪70年代末期，这种传统电力电子器件（SCR及其派生器件）仍在各种应用中占主导地位。这些器件均为半控式器件，多用于AC-DC整流及AC-AC变流器中。优点是可承受的功率大，能够用于大功率的场合中，多工作于自然换流状态，所以开关损耗小。缺点是工作频率低，电路功率因数低，以及对电网的污染严重。

为克服这些缺点，从70年代起，人们即开始具有自关断能力的全控电力电子器件的研究，80年代以后，以GTO、BJT、功率MOSFET为代表的现代电力电子器件开始进入商品化阶段，由此开创了电力电子器件发展的新时代。

全控式现代电力电子器件通过门极信号控制器件的开通、关断，不需要强迫换流电路，可以用于DC-AC逆变器及DC-DC斩波器中，在中小功率范围内，已完全取代过去传统的半控器件SCR。优点是可工作在比较高的开关频率，电路功率因数高。在此基础上发展起来的新型PWM技术，全数字化控制技术已成功地应用在各种电源系统及电机调速系统中。缺点是器件常工作于PWM硬开关状态（与后来发展起来的软开关技术相对比），因此开关损耗大。

随后，现代电力电子技术向高频，高效（低开关损耗），高功率密度（组合集成化），高功率因数及高压大功率方向迅速发展。出现了性能更高的复合器件，如绝缘栅双极晶体管（IGBT）和集成门极换向晶闸管（IGCT）等，均以其高的开关频率和越来越大的功率获得广泛应用，并将占据今后电力电子器件发展和应用的主流地位。

现代电力电子器件的两个更新的发展方向是：其一利用BCD（Bipolar+CMOS+DMOS）技术，将开关元件、控制电路、驱动电路、检测电路、保护电路和通信接口等集合到一个封装内，形成所谓功率集成电路（PIC），真正实现电力电子器件的模块化。这将极大地简化电力电子器件的应用，为全新的控制方式提供可能，使电力电子技术产生飞跃。其二即是硅材料以外的新材料，如碳化硅（SiC）、砷化镓（GaAs）和超导材料的使用。研究表明，这些新材料有比硅材料优越得多的特性，例如SiC就有在600℃下以100GHz开关频率工作的潜力。目前，SiC二极管、SiC SIT、SiC MOSFET等都已处于实验阶段，一旦投入量产，将会给电力电子器件带来革命性的变化，甚至使电力电子技术的基本概念、理论等发生质的飞跃。