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功率器件技術(shù)與電源技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展
電源技術(shù)與功率半導(dǎo)體器件制造技術(shù)互依互存，共同發(fā)展。從五十年代初晶閘管整流器問世，就揭開了功率半導(dǎo)體器件制造技術(shù)和電源技術(shù)長足發(fā)展的序幕，并奠定了現(xiàn)代電力電子學(xué)的基礎(chǔ)。
電力電子技術(shù)包含了電力電子器件制造技術(shù)和電力電子線路與裝置兩大部分，其中電力電子器件及其應(yīng)用技術(shù)是基礎(chǔ)。電源和功率半導(dǎo)體器件是重要的基礎(chǔ)科學(xué)和產(chǎn)業(yè)，從人們的日常生活到工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)直至科學(xué)研究，都離不開電源。
一、半導(dǎo)體功率器件制造技術(shù)的發(fā)展歷程
半個(gè)世紀(jì)以來，功率半導(dǎo)體器件經(jīng)歷了從真空閘流管、真空三極管到半導(dǎo)體二極管、三極管、晶閘管、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)、柵控晶閘管(MCT)等不同時(shí)代的新器件。
半導(dǎo)體功率器件正朝著高頻、大電流、高電壓、柵控可關(guān)斷方向發(fā)展。功率器件的發(fā)展促進(jìn)了電源技術(shù)的升級(jí)換代，同樣電源技術(shù)也正在朝著高頻、大容量、模塊化、高穩(wěn)定度、高效率，并能有效地抑制電網(wǎng)諧波和環(huán)境噪聲污染方向發(fā)展。
未來，可以相信在新理論、新技術(shù)的引導(dǎo)下；在新材料、新器件的支持下，電源和半導(dǎo)體功率器件將會(huì)進(jìn)入更廣闊的發(fā)展空間。
二、半導(dǎo)體功率器件的應(yīng)用和電源技術(shù)發(fā)展
隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)電源和功率器件的要求越來越高，規(guī)格品種越來越多，技術(shù)難度越來越大，涉及的學(xué)術(shù)領(lǐng)域也越來越廣。
1. 中頻感應(yīng)加熱電源
中頻電源主回路主要由整流橋和逆變橋組成：
- 整流橋大都采用6只普通晶閘管組成三相全控橋式整流電路
- 逆變橋的主要功能是把直流電轉(zhuǎn)變成單相中頻交流電
- 逆變橋快速晶閘管關(guān)斷時(shí)間的選擇應(yīng)根據(jù)逆變電路的頻率而定
隨著新型半導(dǎo)體功率器件的不斷出現(xiàn)，電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)有新的變革：
- SIT：靜電感應(yīng)晶體管，關(guān)斷時(shí)間典型值為0.3μs，整機(jī)工作頻率可達(dá)300KHz
- IGBT：絕緣柵雙極晶體管，關(guān)斷時(shí)間典型值為0.55μs，整機(jī)功率可達(dá)3000KW
- MCT：MOS控制晶閘管，關(guān)斷時(shí)間為2.1μs，正向壓降低，串、并聯(lián)容易
2. 電化學(xué)和電熱用電源
電化學(xué)在工業(yè)上的應(yīng)用：
- 水溶液電解制取金屬，如金、銀、銅、鋅、錫、鉛等
- 水溶液電解制取非金屬(電解食鹽水)，如氯、氫等
- 熔融鹽電解制取金屬，如鋁、鈦、鎂、鈉、鉀等
- 電熱化學(xué)制取非金屬，如黃磷、石墨電極、碳化鈣等
- 電熱化學(xué)制取金屬，如鐵、鋼、鐵合金等
- 表面電解加工與處理，如電鍍等
- 界面電化學(xué)，如電泳、電滲析等
3. 焊接電源
焊接電源的主電路形式是隨著電力電子及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的：
| 焊接電源類型 | 特點(diǎn) |
|---|---|
| 晶閘管整流焊接電源 | 采用帶平衡電抗器的六相雙反星形可控整流電路和三相全控橋整流電路 |
| 開關(guān)移相式晶閘管焊接電源 | 反并聯(lián)晶閘管組或雙向晶閘管工作于開關(guān)或移相狀態(tài) |
| 電容儲(chǔ)能式晶閘管焊機(jī) | 主回路分為充電回路和橋式放電回路 |
| 晶閘管逆變弧焊電源 | 最早的一種逆變式弧焊電源，工作頻率可達(dá)3000Hz |
| IGBT逆變焊接電源 | 開關(guān)頻率達(dá)10-30KHz，逐漸成為中大容量逆變焊接電源的主流 |
4. 電機(jī)用可控硅電源
- 可控硅直流電源可用于發(fā)電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、直流電機(jī)的勵(lì)磁
- 可控硅反并聯(lián)組件用于電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置、電機(jī)頻繁倒向開關(guān)裝置
- 晶閘管甚低頻交-交變頻用于線繞電機(jī)的進(jìn)相，提高功率因數(shù)
- 晶閘管直流不可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)主要用于造紙、印刷等輕工業(yè)
- 晶閘管直流可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)主要用于軋機(jī)、龍門刨等
- 晶閘管交流串級(jí)調(diào)速；晶閘管直流牽引
- 晶閘管斬波器用于線繞電機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速
5. 電力操作電源
為發(fā)電廠、水電站及變電站提供直流的電源設(shè)備(即直流屏)，包括供給斷路器分合閘及二次回路的儀器儀表、繼電保護(hù)、控制、應(yīng)急燈光照明等各類低壓電器設(shè)備用電。
6. 動(dòng)態(tài)靜止無功補(bǔ)償裝置
在電壓等級(jí)(特別是高壓無功補(bǔ)償裝置采用多只可控硅串聯(lián))、裝置容量上不斷提高，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化計(jì)算機(jī)控制，在電力補(bǔ)償上得到了成功應(yīng)用(如：晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器)。
7. 大功率、高電壓直流電源
廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)的靜電除塵、污水處理。
三、未來發(fā)展趨勢(shì)
在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)為代表的復(fù)合型器件異軍突起。IGBT是MOSFET和BJT的復(fù)合，它把MOSFET的驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)和BJT通態(tài)壓降低、載流量大的優(yōu)點(diǎn)集于一身，性能十分優(yōu)越，使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。
與IGBT相對(duì)應(yīng)，MOS控制晶閘管(MCT)和集成門極換流晶閘管(IGCT)都是MOSFET和GTO的復(fù)合，它們同樣也綜合了MOSFET和GTO兩種器件的優(yōu)點(diǎn)：
- 高電壓、大電流
- 低通態(tài)壓降
- 高電流密度
- 高輸入阻抗
- 低驅(qū)動(dòng)功率
- 高開關(guān)速度
IGBT、IGCT和MCT可能是當(dāng)今功率器件中最有發(fā)展前途的混合功率器件。盡管MCT目前受限于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)要求高等因素，但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新材料和新工藝的出現(xiàn)，它有望在未來重現(xiàn)生機(jī)。