|
功率器件技术与电源技术的现状和发展
电源技术与功率半导体器件制造技术互依互存，共同发展。从五十年代初晶闸管整流器问世，就揭开了功率半导体器件制造技术和电源技术长足发展的序幕，并奠定了现代电力电子学的基础。
电力电子技术包含了电力电子器件制造技术和电力电子线路与装置两大部分，其中电力电子器件及其应用技术是基础。电源和功率半导体器件是重要的基础科学和产业，从人们的日常生活到工、农业生产、国防建设直至科学研究，都离不开电源。
一、半导体功率器件制造技术的发展历程
半个世纪以来，功率半导体器件经历了从真空闸流管、真空三极管到半导体二极管、三极管、晶闸管、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、栅控晶闸管(MCT)等不同时代的新器件。
半导体功率器件正朝着高频、大电流、高电压、栅控可关断方向发展。功率器件的发展促进了电源技术的升级换代，同样电源技术也正在朝着高频、大容量、模块化、高稳定度、高效率，并能有效地抑制电网谐波和环境噪声污染方向发展。
未来，可以相信在新理论、新技术的引导下；在新材料、新器件的支持下，电源和半导体功率器件将会进入更广阔的发展空间。
二、半导体功率器件的应用和电源技术发展
随着科学技术和工业生产的发展，对电源和功率器件的要求越来越高，规格品种越来越多，技术难度越来越大，涉及的学术领域也越来越广。
1. 中频感应加热电源
中频电源主回路主要由整流桥和逆变桥组成：
- 整流桥大都采用6只普通晶闸管组成三相全控桥式整流电路
- 逆变桥的主要功能是把直流电转变成单相中频交流电
- 逆变桥快速晶闸管关断时间的选择应根据逆变电路的频率而定
随着新型半导体功率器件的不断出现，电力电子技术应用领域将会有新的变革：
- SIT：静电感应晶体管，关断时间典型值为0.3μs，整机工作频率可达300KHz
- IGBT：绝缘栅双极晶体管，关断时间典型值为0.55μs，整机功率可达3000KW
- MCT：MOS控制晶闸管，关断时间为2.1μs，正向压降低，串、并联容易
2. 电化学和电热用电源
电化学在工业上的应用：
- 水溶液电解制取金属，如金、银、铜、锌、锡、铅等
- 水溶液电解制取非金属(电解食盐水)，如氯、氢等
- 熔融盐电解制取金属，如铝、钛、镁、钠、钾等
- 电热化学制取非金属，如黄磷、石墨电极、碳化钙等
- 电热化学制取金属，如铁、钢、铁合金等
- 表面电解加工与处理，如电镀等
- 界面电化学，如电泳、电渗析等
3. 焊接电源
焊接电源的主电路形式是随着电力电子及其他相关技术的发展而发展的：
| 焊接电源类型 | 特点 |
|---|---|
| 晶闸管整流焊接电源 | 采用带平衡电抗器的六相双反星形可控整流电路和三相全控桥整流电路 |
| 开关移相式晶闸管焊接电源 | 反并联晶闸管组或双向晶闸管工作于开关或移相状态 |
| 电容储能式晶闸管焊机 | 主回路分为充电回路和桥式放电回路 |
| 晶闸管逆变弧焊电源 | 最早的一种逆变式弧焊电源，工作频率可达3000Hz |
| IGBT逆变焊接电源 | 开关频率达10-30KHz，逐渐成为中大容量逆变焊接电源的主流 |
4. 电机用可控硅电源
- 可控硅直流电源可用于发电机、同步电动机、直流电机的励磁
- 可控硅反并联组件用于电动机软起动装置、电机频繁倒向开关装置
- 晶闸管甚低频交-交变频用于线绕电机的进相，提高功率因数
- 晶闸管直流不可逆传动系统主要用于造纸、印刷等轻工业
- 晶闸管直流可逆传动系统主要用于轧机、龙门刨等
- 晶闸管交流串级调速；晶闸管直流牵引
- 晶闸管斩波器用于线绕电机的启动、调速
5. 电力操作电源
为发电厂、水电站及变电站提供直流的电源设备(即直流屏)，包括供给断路器分合闸及二次回路的仪器仪表、继电保护、控制、应急灯光照明等各类低压电器设备用电。
6. 动态静止无功补偿装置
在电压等级(特别是高压无功补偿装置采用多只可控硅串联)、装置容量上不断提高，实现了全数字化计算机控制，在电力补偿上得到了成功应用(如：晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器)。
7. 大功率、高电压直流电源
广泛应用于环境保护的静电除尘、污水处理。
三、未来发展趋势
在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)为代表的复合型器件异军突起。IGBT是MOSFET和BJT的复合，它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降低、载流量大的优点集于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件。
与IGBT相对应，MOS控制晶闸管(MCT)和集成门极换流晶闸管(IGCT)都是MOSFET和GTO的复合，它们同样也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点：
- 高电压、大电流
- 低通态压降
- 高电流密度
- 高输入阻抗
- 低驱动功率
- 高开关速度
IGBT、IGCT和MCT可能是当今功率器件中最有发展前途的混合功率器件。尽管MCT目前受限于结构复杂、生产要求高等因素，但随着科学技术的进步，新材料和新工艺的出现，它有望在未来重现生机。