新型电力电子器件及其应用

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新型电力电子器件及其应用　北京电力电子新技术研究开发中心副总工　刘鹿生　一　、　

９８８年国家科委组织了“电力电子技术发　ｌ　展战略研究”（以下简称“战略研究”），　随后，电力电子作为一项高新技术及其对　促进工业技术进步所起的重要作用得到了普遍　承认，并分别列为国家“八五”重点科技攻关项　目及九十年代我国经济发展的关键技术和节能　重点技术。　电力【ＰＯＷＥＲ）电子技术，亦称功率电子技术，　是以各类大功率半导体开关器件为基础，用于电　能变换和控制的现代工业电子技术。八十年代中　期，新型功率场控器件的问世和发展，使电力电　子跨八高频阶段，以新型功率场控器件为主流器　件的现代电力电子技术能把工作频率提升到２０　＿ＨＪＭ　ｌＯＭ　；　ｌＫ　】Ｏ０　ＫＨｚ以上，这时电气设备的重量和体积大约是５０　Ｈｚ同等功能设备的１／１０左右，其效益是极其可观　的。　新型电力电子器件都是采用集成技术制备　的器件，包括　壅　Ｑ河（亦称纵向双扩散　Ｑ兰　里　Ｑ量Ｌ！鱼呈！！塑丝蛆霉极晶体管）和　ＭＣＴ（ＭＯＳ控制晶闸管）及其模块，还有将数字电　路、模拟电路和功率器件集成在同一芯片上的功　率集成电路ＰＩＣ，以及将上述器件和其它元、器件　二次集成的智能功率模块ＩＰＭ。　图１示出电力电子器件的输出容量、工作频　率和主要应用领域的关系，虚线是预期２０００年达　到的水平。　

频率（ｆｚ）　固１　电力电子器件曲输出客量、工作频率和主要应用领域　

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新型电力电子器件　的应用领域极为广泛，由　图１可见，包括电力机　车、电动汽车、马达控　制　机器人、照明电子，　开关电源和微波功放　等。　随着电力电子技术　的广泛应用，大量非线性　负荷的电子设备，诸如整　流设备、变频器、各类　电源及电子镇流器等，使　供电网络的电压和电流　的正弦波发生畸变一一　谐波　谐波阻碍电能的台　理高教利用，还会引发不　安垒事故，因此各国都把　

ＢｃＨ，世界电子元芎导件１９９６，１１　

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电阿中的谐波视为电力污染和公害，都在致力于　解决谐波的发生、吸收和限制谐波传播等高功率　因数和低谐波的高品质用电问题。　本文结合发展动态阐述功率ＭＯＳ、ＩＧＢＴ、　ＭＣＴ、ＰＩＣ和ＩＰＭ的结构和主要特点　及典型应用：节能灯与电子镇流器、变　频器、多电平变换器、开关电源、电焊　机和光电池一一蓄电池充电器等。同　时给出相关器件和产品的部分厂商和　型号。　

新型电力电子器件　

ＭＯＳ的Ｉ１－１－［Ｉ外延层，这样，在大电流工作时，ｐｎｐ的　Ｐ　注入空穴，引入大注入效应，产生电导调制，　从而降低通态电阻。　ＩＧＢＴ具有功率ＭＯＳ输入阻抗高．驱动电路　

ｒ　ｓ　Ｌ　！　Ｎ一　幕替　Ｎ＋　簧井　

１　功率ＭＯＳ（亦称ＶＤＭＯＳ）　功率ＭＯＳ和集成电路中微电子的ＭＯＳ一样，　都是电压控制的多数载流子器件，输入阻抗高。　微电子的ＭＯＳ是横向结构，功率ＭＯＳ是纵向结　图２功率Ｍ０ｓ的器件符号　掏。图２显示出功率ＭＯＳ　的器件符号。　由图２看出，功率ＭＯＳ　固有的寄生反并联二极　管，称作体二极管。在逆变　器中它可用作续流二极　管，在斩波器中却要串联　个整流管以防止可能的　反向电流流过。总之，在设　计应用时应注意体二极管的存在和作用。　功率ＭＯＳ的主要特点：（１）工作频率高，　１００ＫＨｚ以上；开关速度快Ｉ，Ｊ、于ｌＯＯｎｓ。（２）输入阻　抗高，驱动功率小。ｏ）热稳定性好，其电流具有负　温度系数，当结温升高时电流降低，呈现良好的　电流自动调节能力。它的不足之处是器件耐压的　提高其通态电阻也增大，因此常用电压区域在　１０００Ｖ以下。　生产该器件的厂商很多，北京电力电子新技　术研究开发中心等单位合资的北京先进功率技　术（ＢＡＰＴ）公司有ＡＰＴＸ　Ｘ　Ｘ　Ｘ　ＤＮ系列，中科院　微电子中心有ＫＷ系列，ＩＲ公司有ＩＲＦ系列。　２．ＩＧＢＴ（绝缘栅双极晶体管）　为了降低功率ＭＯＳ的通态电阻，研制了　ＩＧＢＴ，图３示出其等效电路。它用Ｐ＋ｎ　取代功率　ＦｅＮ／世界电子元器件１９９６．１　１　Ｄ　目３　ＩＧＢＴ的剖面结构（ａ）和简化的等效电路（ｂ）　简单和安全工作区大的优点，在功率处理能力相　同时，芯片尺寸小，电流密度大。但是，由于引入　少子，就有少子存贮效应，使下降时间延长。ＩＧＢＴ　是当前大功率中频范围的主流器件，１７００Ｖ／８ＯＯＡ　的器件已商品化。　新型槽栅（Ｔｒｅｃｈ）型ＩＧＢＴ结掏能消除寄生的　结型场效应管效应，减轻闩锁效应和增强过剩载　流于注入阴极能力等，因此　槽栅型ＩＧＢＴ能在高　电压快关断的应用中取代ＧＴＯ和晶闸管。　生产ＩＧＢＴ的厂家不少，但国内只有刚通过国　家验收的北京先进（ＢＡＰＴ）公司生产线，即将生产　ＡＰＴ×ＸＧＬ和ＡＰＴ　Ｘ　Ｘ×ＧＦ系列。国外有东芝　的ＭＧ、ＭＴ单管和ＭＩＧ模块系列，ＩＲ的ＩＲＧＢＣ和　ＩＲＧＢＦ系列。　３．ＭＣＴ（ＭＯＳ控制晶闸管）　ＭＣＴ是在晶闸管（ＳＣＲ）结掏中集成一对Ｍｏｓ　ＦＥＴ来控制ＳＣＲ的导通和关断。使ＳＣＲ导通的Ｐ　淘ＭＯＳ称为ＯＮ－ＦＥＴ，使其关断的Ｎ沟ＭＯＳ称为　

１０　阴极　阴极　图４　ＭＣＴ等技电路　

。　维普资讯 http://www.cqvip.com ＯＦＦ－ＦＥＴ．见图４：ＯＦＦ－ＦＥＴ的源一漏连接ＰＮＰ管的　基．射极。还有ＯＮ—ＦＥＴ的源．漏连接在ＰＮＰ管集·　射极，这样ＭＯＳ的栅极成为ＭＣＴ的门极。对门极　施加相对于阳极为负脉冲时，ＯＮ·ＦＥＴ导通，其漏　微电流使ＮＰＮ管导通，而ＮＰＮ管叉使ＰＮＰ管导通　这样形成的正反馈过程使ＭＣＴ导通。当对门极　施加相对阳极为止脉冲时，ＯＦＦ－ＦＥＴ导通，ＰＮＰ管　的基极电流中断，正反馈过程　被破坏，ＭＣＴ关断。　ＭＣＴ与ＳＣＲ的主要区别：　前者是电压控制器件而后者是　电流控制器件；门板信号极性　前者相对阳板而后者相对阴极　为基准。　ＭＣＴ的特点：（１）击穿电压　高，可达３０００Ｖ；电流容量大，峰　值电流１０００Ａ。（２）通态压降小，　约为ＩＧＢＴ的１／３。（３）ｄｖ／ｄｔ和ｄｉ，　ｄｌ极高。（４）开关速度快，开关　损耗小。（５）结温在２００℃以上　仍可工作。（６）可用简单的熔断　器作短路保护。　从图１　ＭＣＴ虚线预期的界　

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ＰＩＣ的广泛应用将引发电子学的义一次革命。因　此，Ｐ１Ｃ产品的开发方兴未艾，任重而道远。　骊山微电子公司已生产汽车专用ＰＩＣ。东芝　有电机控制器Ｔ２Ｂ１７，ＩＲ有驱动器ＩＲ２１ｌ０，Ｕｎｉｔｒｏｄｅ　公司肯ＵＣ系列的各种驱动器，控制器和调制器　等Ｐ１Ｃ。不少著名半导体厂商都有专用的ＰＩＣ。　５．ＩＰＭ（智能功率模块）　

图５　ＩＰＭ的ＬＰ封装和ｓＰ４ｔ装　ｌ　Ｊ《般　主　盅　３－散摊　土曲　卓０件＊片　４有　与无　表　肚蓑．，ＬＩＩ－件　｝慧声拓　●￡畚　６＿艘　７痹氧树脯　８目卓引　脚　号　Ｉ　脚　１（　ｉ　ＨＥ　Ｉ１　粗一却捌ｔ荜枉连甚　Ｉ　２－内郜卸刷ｔ卑收　

限所示，ＭＣＴ被指望取代ＧＴＯ和ＳＣＲ。因此，近几　年有关功率器件的国际学术会议上，ＭＣＴ及其派　生器件是热门题目之一。　厂商与型号：ＧＥ公司有ＴＡ９７８９、ＴＡ９８３６系列　和模块ＧＥ３００ＡＰ。　４．ＰＩＣ（功率集成电路）　七十年代初，为了与微处理器接口，将４个　ＮＰＮ达林频管和４个Ｄ锁存器集成在同一芯片上，　开创了既有功率器件又有独立逻辑功能的Ｐ１Ｃ。　目前以双极４￣ＭＯＳ一功率ＭＯＳ兼容的ＢｉＣＤＭＯＳ　结构为主。　ＨＣ的电流，电压额定值取决于ＰＩＣ中器件之　间采用的隔离技术：（１）ＰＮ结隔离可达１００Ｖ／２０Ａ水　平；（２）介质隔离，单端功率输出达到１０００Ｖ／４ＯＡ，多　端功率输出达到５００Ｖ／４０Ａ　Ｐ１Ｃ能够将电力电子．微电子一传感电子三者　兼容和集成起来，构成大电子体系。有人预言，　

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１ＰＭ是采用二次集成技术，将功率开关器件　及相关的驱动、逻辑、过电压、过电流、过热、欠　压和制动等电路集成在一起，用数字信号处理器　（ＤＳＰ）或微处理器进行信号实时处理和监控，即　使发生负载事故或应用不当，也不致损坏１ＰＭ。　图５示出ＡＰＴ公司ＩＰＭ的两种封装结构。　ＩＰＭ的优点是　１）提高可靠性；（２）缩短产品设　计与评估周期；（３）体积小；（４）更便于组合使用。　ＡＰＴ公司有ＭＯＳ的ＩＭＡＴ系列和ＩＧＢＴ的　ＬＲＧＡＴ系列。三菱公司有ＰＭｘ　ｘ×ＤＨＡ×ｘ　ｘ　系列和ＰＭｘ　ｘ×系列。　

二、应用　１．高效节能灯和电子镇流器　“战略研究”指出，高效节能灯比自积灯节　电８０％，比普通荧光灯节电３０％。据国家有关方面　介绍，１９９５年全国总发电量为９０５０亿千瓦小时，而　

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照明用电就占了１０８５亿千瓦小时。如果将全国的　白炽灯都换成节能灯，则年节电９３８亿千瓦小时，　相当于５座长江葛洲坝电站年发电量之和，节电　效益惊人！　节能灯主要由三基色稀土荧光粉的灯管和　电子镇流器组成。前者能将不可见的紫外线转化　为可见光，从而提高发光率。３０Ｋ￣５０ＫＨｚ的电子　镇流器可配置节能灯，也　可配置普通荧光灯，它取　代５０Ｈｚ的感应式镇流器　能节电１５％左右。例如，　北京师范大学扩建的图　书馆，使用ＢＰＥＣ．ＩＶ型高　质量电子镇流器，配置普　通荧光管，使节约的电量　解决了另一新建楼房的　用电负荷，同时也节约了　变压器扩容所需的基建　投资。　高质量的电子镇流　逆变器的效率高于９５％。　图６的电路分析指出，工作频率应远高于谐　振频率，否则功率ＭＯＳ管的工况将越出安全工作　区或要承受较高的ｄｉ／ｄｔ动态应力，降低可靠性和　效率。　三基色稀土荧光粉和ＢＰＥＣ．ＩＶ型电子镇流　器均是北京电力电子新技术研究开发中心　

圈７　４００Ｖ／１６０ＫＷ　ＩＧＢＴ￣变器的主电路　器由电磁辐射（ＥＭ１）滤波器、功率因数修正器　（ＰＦＣ）、高频ＤＣ—ＡＣ逆变器和包括过电压、过电　流、欠压和灯丝预热等保护功能的脉宽调制　（ＰＷＭ）器组成。图６给出一种谐振式Ｄ类逆变器　主电路，工作频率为５０ＫＨｚ。图６中的Ｌ－Ｃｃ—Ｃｐ构　成谐振回路，谐振频率为３１．５ＫＨｚ。功率ＭＯＳ用　Ｍ１ＴＥＬ公司的Ｍ　．５Ｎ４０，和功率ＭＯＳ反并联的续　流二极管可利用功率ＭＯＳ内寄生的体二极管，此　

（ＢＰＥＣ）承担技术攻荧和生产的产品。ＢＰＥＣ—ＩＶ型　电子镇流器的功率因数达到０９８７，谐波含量降到　８％，而市售电子镇流器分别为０　６５和１３０％　上。　Ｕｎｉｔｒｏｄｅ公司有功率因数修正器ＵＣ　３８５２，ＵＣ　３８５４－５５系列，有ＰＷＮ控制器ＵＣ３８７１—７２系列。　２．电机的变频调速传动　“战略研究”指出，我国风机和泵娄负荷占　全国用电量的１，３，采用电力电子技术的交流电机