電子電子器件的發(fā)展、分類與應用

1、電力電子器件及其發(fā)展現(xiàn)狀

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

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

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

　　(3)    控制技術。

　　電力電子技術的應用已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會生產(chǎn)的各個方面。典型的用途如電化學、直流傳動、交流傳動、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(wěn)定電源、電子開關、高壓靜電除塵、直流輸電和無功補償?shù)?。電力電子技術已成為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和高新技術領域不可缺少的關鍵技術，可以有效地節(jié)約能源，并成為新能源(燃料電池、太陽能和風力發(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工業(yè)用的普通晶閘管開始，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(zhuǎn)的變流機組、靜止的離子變流器進入到以電力半導體器件組成的變流器時代，這標志著電力電子技術的誕生，晶閘管為電力電子學科的建立立下了汗馬功勞。晶閘管是半控型器件，不能自關斷，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(nèi)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，用它構成的變流裝置具有可靠性高、壽命長、容易維護等優(yōu)點，特別是它可節(jié)約能源；所以得到飛速的發(fā)展?？梢哉J為電力電子學就是應用在電力技術領域中的電子學，它是電氣工程中電力、電子和控制三大主要領域之間的邊緣學科。

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

到20世紀80年代后期，出現(xiàn)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(qū)動雙極型晶體管，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。與此相仿，MCT（MOS controlled thyristor）是MOSFET驅(qū)動晶閘管的復合器件，集場效應晶體管與晶閘管的優(yōu)點于一身，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)展過程可用圖1所示的樹型圖來表示。

　　可以說，20世紀70年代評價電力電子器件的品質(zhì)因數(shù)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，所以評價器件品質(zhì)因數(shù)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(qū)動、低損耗。因此評價器件品質(zhì)因數(shù)的主要標準是容量、開關速度、驅(qū)動功率、通態(tài)壓降、芯片利用率。為了實現(xiàn)這一高性能化，將出現(xiàn)許多重要的工藝，如平面工藝、大規(guī)模集成工藝、多層金屬化、厚膜技術和高能量技術。{{分頁}}

2、常用電力電子器件的分類及其應用領域

　　電力電子器件的種類很多，按開關控制性能劃分；如圖2所示。

　　表1歸納了常用電力電子器件的特性、代表性應用領域及常見生產(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(xiàn)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}}

　?。?） 制造工藝和技術將得到突飛猛進的發(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、更快的開關速度及更小的通態(tài)壓降。

　?。?） 冷卻技術將另辟蹊徑。雖然器件的冷卻技術從自然冷卻、風冷、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將不斷得到廣泛地應用。這就要求用冷卻材料和技術進一步開發(fā)新型的電力電子器件。

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

　?。?） 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、電流及頻率都將進一步提高，而體積可望隨新材料的出現(xiàn)而減小，有可能深入到各個領域，進而取代一大批分立式電力電子器件。

　?。?） PIC的應用領域?qū)⑦M一步擴大。將出現(xiàn)電力電子器件與微電子線路高度集成的模塊，它將進入視聽、大屏幕顯示、辦公自動化、汽車工業(yè)、機器人、工廠自動化及家庭自動化領域。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電力電子技術的進步。