1 引言
电力电子技术包括功率半导体器件与 IC 技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“机车”。现代电力电子技术无论对改造传统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等），还是对高新技术产业（航天、激光、通信、机器人等）都至关重要，它已迅速发展成为一门独立学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门，毫无疑问，它将成 21 世纪的关键技术之一。
“一代器件决定一代电力电子技术。”每一代新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。从 1958 年美国通用电气（GE）公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。20 世纪 80 年代末期和 90 年代初期发展起来的、以功率 MOSFET 和 IGBT 为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，标志着传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。以功率器件为核心的现代电力电子装置，在整台装置中通常不超过总价值的 20％~30％，但是，它对提高装置的各项技术指标和技术性能，却起着十分重要的作用。
2 电力电子器件的回顾
电力电子器件又称作开关器件，相当于信号电路中的 A/D 采样，称之为功率采样，器件的工作过程就是能量过渡过程，其可靠性决定了装置和系统的可靠性。根据可控程度以及构造特点等因素可以把电力电子器件分成四类：
(1) 半控型器件——第一代电力电子器件
自从 20 世纪 50 年代，由美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电子技术的开端。此后，晶闸管（SCR）的派生器件越来越多，到了 20 世纪 70 年代，已经派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器件，电力电子器件的功率也越来越大，性能日益完善。但是由于晶闸管的固有特性，工作频率较低（一般低于 400Hz），大大限制了它的应用范围，并且由于其固有的特性，比如关断这些器件必须要有强迫换相电路，使得整体体积增大、重量增加、效率降低、可靠性下降。目前，国内生产的电力电子器件仍以晶闸管为主，其中的一些中低档产品业已成熟，并有相当批量出口。
(2) 全控型器件——第二代电力电子器件
伴随着关键技术的突破以及需求的增加，早期的小功率、半控型、低频器件发展为现在的超大功率、高频全控器件。由于全控型器件可以控制开通和关断，从而大大提高了开关控制的灵活性。从 20 世纪 70 年代后期开始，可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR或BJT）及其模块相继实用化。在此后，各种高频率的全控型器件不断问世，并得到迅速发展。这些器件主要有：电力场控晶体管（即功率 MOSFET）、静电感应晶体管（SIT）、静电感应晶闸管（SITH）等，这些器件的产生和发展，已经形成了一个新型的全控电力电子器件的大家族。
(3) 复合型器件——第三代电力电子器件
前两代电力电子器件中各种器件都有其本身的特点。近年来，又出现了兼有几种器件优点的复合器件。如：绝缘门极双极晶体管 IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）。它实际上是 MOSFET 驱动双极型晶体管，兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两者的优点。它容量较大，开关速度快，易驱动，成为一种理想的电力电子器件。
(4) 模块化器件——第四代电力电子器件
随着工艺水平的不断提高，实现了将许多零散拼装的器件组合在一起并且大规模生产，进而导致第四代电力电子器件的诞生。以功率集成电路 PIC（Power Intergrated Circuit）为代表，其不仅把主电路的器件，而且把驱动电路以及具有过压过流保护，甚至温度自动控制等作用的电路都集成在一起，形成一个整体。
3 电力电子器件的最新发展
现代电力电子器件仍然在向大功率、易驱动和高频化方向发展。其中，电力电子模块化是电力电子向高功率密度发展的重要的一步。当前电力电子器件的主要成果如下：
(1) IGBT——绝缘栅双极晶体管
IGBT 是一种 N 沟道增强型场控（电压）复合器件，如图 l 所示。它属于少子器件类，却兼有了 POWER MOSFET 和双极性器件的优点：高的输入阻抗（容抗性质）、开关速度快、安全工作区宽；饱和压降比较低，甚至接近 GTR 的饱和压降，耐压高、电流大，因此，IGBT将是促进高频电力电子技术发展的一种比较理想的基础元件，其可望用于直流电压为 1500V 的高压变流系统。
目前，已经研制出的高功率沟槽栅结构 IGBT（Trench IGBT）模块，是近几年来出现的高耐压大电流 IGBT 器件均采用的结构，它避免了大电流 IGBT 模块内部大量的电极引出线，提高了可靠性和减小了引线电感，缺点是芯片面积利用率下降。所以这种平板压接结构的高压大电流 IGBT 模块也可望成为高功率高电压变流器的优选功率器件。
正式商用化的高压大电流 IGBT 器件至今尚未出现，其电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求，特别是在高压领域许多应用中，要求器件的电压等级达到 10kV 以上。目前只能通过其它技术手段，比如依靠 IGBT 高压串联应用组件技术来实现它的高压应用。国外许多大的相关厂家都投入了大量的人力物力开发研制新型高压 IGBT 器件。例如，瑞士 ABB 公司采用软穿通原则研制出了高压 8000V 的 IGBT 器件。德国的 Eupec 生产的 6500V/600A 高压大功率 IGBT 器件已经获得实际应用。日本的东芝公司也投入到开发和研制新型高压 IGBT 器件的行列中。
(2) MCT-MOS  控制晶闸管（MOS-Controlled Thyristor）
MCT 是一种新型 MOS 与双极复合型器件，如图 3 所示。它采用集成电路工艺，在普通晶闸管结构中制作大量 MOS 器件，通过 MOS 器件的通断来控制晶闸管的开通与关断。MCT 既具有晶闸管良好的阻断和通态特性，又具备 MOS 场效应管输入阻抗高、驱动功率低和开关速度快的优点，同时它还克服了晶闸管速度慢、不能自关断和高压 MOS 场效应管导通压降大的缺点。这是 MCT 被认为是目前众多的新型功率器件中很有发展前途的器件的原因。
MCT 器件自 20 世纪 80 年代末期产生，虽然发展时间较短，但是 MCT 在国外已经发展到了很高的水平。MCT 器件的最大可关断电流已经达到了 300A，最高阻断电压为 3000V，可关断电流密度为325A/cm2，且已试制出由 12 个 MCT 并联组成的模块。
MCT 的应用也达到了相当高的水平，美国西屋公司报道了其采用 MCT 开发 10kW 高频串并联谐振 DC-DC 变流器的研究情况，已得到了令人瞩目的功率密度（6.1W/cm3）和高可靠的运行。据报道，美国正计划采用 MCT 组成功率变流设备，建设高达 500kV 的高压直流输电 HVDC 设备。国内的东南大学采用 SDB 键合特殊工艺在实验室制成了 100mA/100V MCT 样品；西安电力电子技术研究所利用国外进口厚外延硅片也试制出 9A/300V MCT 样品。MCT 的研究与应用正在全面展开，实用化为期不远。
(3) IGCT——集成门极换流晶闸管（Intergrated Gate Commutated Thyristors）
IGCT 是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。它的应用使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。IGCT 是 GTO 芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管和晶闸管两种器件的优点，即晶体管的稳定的关断能力和晶闸管的低通态损耗的一种新型器件。IGCT 在导通器件发挥晶闸管的性能，关断阶段呈类似晶体管的特性。IGCT 具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低的特点。此外，IGCT 还像还像 GTO 一样，具有制造成本低和成品率高的特点，有极好的应用前景。
采用晶闸管技术的 GTO 是常用的大功率开关器件，它相对于采用晶体管技术的 IGBT 在截止电压上有更高的性能，但广泛应用的标准 GTO 驱动技术造成不均匀的开通和关断过程，需要高成本的 dv/dt 和 di/dt 吸收电路和较大功率的门极驱动单元，因而造成可靠性下降和价格较高的缺点。此外，也不利于串联以便用于更大容量的装置。因此，在大功率 MCT 技术尚未成熟以前，IGCT 已经成为高功率高电压低频交流器的优选功率器件之一。
瑞士的 ABB 公司的 ACSl000 是目前国外高压大容量变频器中比较成熟的产品之一。在 ACSl000 变频器中， IGCT 是主要的功率开关器件，图 4 为其开发的一种型号的 IGCT。由于其价格等因素，目前，国内只有包括清华大学在内的少数几家科研院所在自己开发的电力电子装置中应用了 IGCT。
．Direct fibet optic contro1
．Fast response(tdon<3 lis，tdoff<6 lis)
．Precise timing(tdoff<400 ns)
．Patented free floating silicon technology
．Optimized low On-state and switching losses
．Very high EMI immunity
．Cosmic radiation withstand rating

图 4  ABB 公司开发的一种 IGCT 及其性能
(4) IEGT——电子注入增强栅晶体管（Injection Enhanced Gate Transistor)
IEGT 是耐压4kV以上的高耐压 IGBT 系列电力电子器件，同时又是通过采取增强注入的结构以实现低通态电压、使大容量电力电子器件取得飞跃性发展。现已经经历了实际应用的初期阶段，进入了通过特性改良以实现更高性能为目标的发展期。
IEGT 本质上具有作为 MOS 系列电力电子器件的潜在发展前景，预示着它是未来的重要发展方向。低损耗、高速动作等基本的芯片性能会不断提高自不必说，6kV 级的高耐压化、有源栅驱动的智能化、以及沟槽结构的采用等特性改良措施、多芯片并联而自均流的特征也都孕育其并联驱动以进一步扩大电流容量的巨大潜力。另外，通过模块封装它还具有多样化联接的众多派生产品的灵活性，它作为中大容量变换器的突破点被寄予厚望。
由日本东芝开发的 IECT（如图 5 所示），利用了“电子注入增强效应”，使之兼有 IGBT 和 GTO 两者的优点：低的饱和压降，宽的安全工作区（吸收回路容量仅为 GTO的 1/10 左右），低的栅极驱动功率（比 GTO 低两个数量级）和较高的工作频率。加之该器件采用了平板压接式电极引出结构，可望有较高的可靠性，目前该器件已经达到 4.5kV/1500A 的水平。
(5) IPEM——集成电力电子模块（Intergrated Power Elactronics Modules）
IPEM 已经不是传统意义上的电力电子器件的概念，它是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。它的组成过程如下：首先将半导体器件 MOSFET、IGB T或 MCT 与二极管的芯片封装在一起组成一个积木单元，然后将这些积木单元迭装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上，在它的下面依次是铜基板、氧化铍瓷片和散热片。在积木单元的上部则通过表面贴装将控制电路、门极驱动、电流和温度传感器以及保护电路集成在一薄层绝缘层上，如图 6 所示，为一个典型的电力电子模块。IPEM 实现了电力电子技术的智能化和模块化，并大大降低电路接线电感，提高了系统的效率。进一步提高了可靠性，降低了系统的噪音和寄生振荡。
(6) PEBB——电力电子积木（Power Electric Building Block）
1997 年前后美国政府、军方及电力电子技术领域一些著名学者共同提出 PEBB 的概念，可以说 PEBB 是在 IPEM 的基础上发展起来的。PEBB 是可以处理电能集成的器件或模块。一个 PEBB 并不是一种特定的半导体器件，一种无源器件或一种电路结构，它是依照最优的电路结构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。一种典型的 PEBB 如图 7 所示。虽然它看起来很像一种典型的功率半导体模块，但 PEBB 包括的东西更多，除了功率半导体器件外，它还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。
作为一种模块化产品，PEBB 有两种接口：能量接口和通讯接口。通过这两种接口，几个 PEBB 可以组成电力电子系统，这些系统可以像小型的 DC-DC 转换器一样简单，也可以像大型的分布式电力系统一样复杂。一个系统中 PEBB 的数量可以从一个到所需要的任何数量。多个 PEBB 模块一道工作可以完成系统级的功能，例如电压转换，能量的储存和转换，阻抗匹配等。在 PEBB 的应用中，有几个特性非常重要，其中最重要的一点就是其通用性。PEBB 的研究始于在各种器件、电路结构和系统结构中找到共同的电气、机械、热力学架构，最后的目标是设计并生产出适合各种应用场合的通用 PEBB 模块。
4 基于新型材料的电力电子器件
SiC 是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，作为 Si等半导体材料的重要补充，可制作出性能更加优异的高温（300～500℃）、高频、高功率、高速度、抗辐射器件。SiC 高功率、高压器件对于公电输运和电动汽车等节能具有重要意义。美国电力电子系统中心的李泽元博士指出，Silicon（硅）基器件的发展，在今后已没有什么可突破的空间了，目前研究的方向是 SiC（碳化硅）等下一代半导体材料，这种新器件将在今后 5~10 年内出现，它的出现会产生革命性的影响。在用这种新型半导体材料制成的功率器件，性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级，碳化硅与其他半导体材料相比，具有下列优异的物理特点：高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率。上述这些优异的物理特性，决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和电流条件下，SiC 器件的漂移区电阻要比硅低 200 倍，即使高耐压的 SiC 场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低得多。而且，SiC 器件的开关时间可达 10ns 量级，并具有十分优越的 FBSOA。
SiC 可以用来制造射频和微波功率器件，各种高频整流器，MESFETS、MOSFETS 和 JFETS 等。SiC 高频功率器件已在 Motorola 公司研发成功，并应用于微波和射频装置。GE 公司正在开发 SiC 功率器件和高温器件（包括用于喷气式引擎的传感器）。西屋公司已经制造出了在 26GHz频率下工作的甚高频的 MESFET。ABB 公司正在研制高功率、高电压的 SiC 整流器和其他 SiC 低频功率器件，用于工业和电力系统。理论分析表明，SiC 功率器件非常接近于理想的功率器件。可以预见，各种SiC器件的研究与开发，必将成为功率器件研究领域的主要潮流之一。但是，SiC 材料和功率器件的机理、理论、制造工艺均有大量问题需要解决，它们要真正给电力电子技术领域带来又一次革命，估计至少还需要十几年的时间。
5 结语
电力电子器件的应用已深入到工业生产和社会生活的各个方面，实际的需要必将极大地推动器件的不断创新。电力电子器件正进入以新型器件为主体的新一代电力电子器件时代，它将基本上取代传统器件。“一代器件决定一代电力电子技术，”作为电力电子技术发展的决定性因素，电力电子器件的研究开发以及关键技术突破，必然会促进电力电子技术的迅速发展，从而促进以电力电子技术为基础的传统工业和高新技术产业的迅速发展。

参考文献
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[6] IEEE IAS 2003 USA.