王艳艳
13262719830417**** 河北石家庄050000
摘要：工业控制、机车牵引等现代许多领域都离不开电力电子技术，作为其技术的直接呈现，电力电子器件的作用日益突出。文章首先从电压驱动型、电流驱动型两方面分别介绍了几种常见的电力电子器件，然后对其在实际中的应用和发展史进行了分析。
关键词：电力电子器件；晶闸管；晶体管
引言
电力电子器件又叫功率半导体器件，是指用于电力设备的大功率电子器件，电压往往在数百伏以上，电流在数十到数千安不等，主要作用是负责电路控制和电能变换。随着电子时代的到来，电子电力器件的应用越来越多，覆盖了网络通信、工业控制、消费电子等诸多领域。由于各方面的需求在变化，电子电力器件也不断更新，保持着较快的发展速度，实际应用时也应跟紧时代，充分发挥新器件的优势。
1电力电子器件的分类
1．1电压驱动型
(1)金氧半场效应晶体管(MOSFET)。MOS．FET的全称为金属一氧化物半导体场效应晶体管，它是FET的一种，具有输入阻抗大、开关速度快、安全工作区宽、热稳定性良好等优势，在诸多领域都有着广泛应用。MOSFET管可以被制成增强型或者耗尽型，按照载流子极性也可被制成P道沟或N道沟，所以常被成为NMOSFET、PMOSFET。实际中应用最多的就是增强型的NMOSFET、PMOSFET产品。两者的区别除了载流子极性不同，还有导通时的条件，NMOS加的Vds为正值，开启电压也为正值时，才能正常工作，电流则是流入漏极。PMOS相反，Vds和开启电压均要为负，才能正常工作，且其电流方向为流出漏极。
(2)绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。IGBT是一种复合型电力电子器件，集合了BJT和MOSFET的优势，BJT是两种载流子进行导电，其驱动电流大于单一载流子导电的MOSFET，MOSFET的优势在于高输入阻抗、控制端功率损耗较小。IGBT运用了MOSFET的栅极电压控制晶体管，又能够利用BJT的特性达到大电流，损耗较低，逐渐代替了传统的GTR。另外，IGBT还具有高速开关的特性。由于综合性能优越，IGBT在当前应用非常广，尤其是在600V以上的交流系统中，常见的领域有照明电路、变频器、牵引机等。
IGBT本质是场效应晶体管，为方便理解，可将其视作一个开关，要么处于导通状态，要么处于断开状态，关键在于栅源极的电压。当栅源极电压不变，或者加负压时，表明开关断若加压大于6V时，开关导通。而且，IGBT不具备放大电压的功能，断开状态下相当于开路，导通状态下相当于导线。
关于IGBT的新技术，主要有场截止FS．IGBT和阳极短接，前者是指引入一个N场截止层，以降低N．drift厚度，从而达到降低Vce，满足highpower的目的。阳极短接是指在N集电极间插入P集电极，以起到增强饱和电流、降低饱和压降的作用。IGBT在当前应用越来越多，随着要求的提高，今后将朝着高电压、高速度的方向发展，容量可达3．3kV／1．2kA，速度可达200kHz．
(3)电子注入增强型栅极晶体管(IEGT)。IEGT是在IGBT基础上发展起来的，可看做是IGBT的升级产品，通常是指耐压在4kV以上的IGBT系列电力电子器件。其创新之处在于采用了增强注入的结构，从而可实现低通态电压。就目前的IGBT器件来说，存在着容量小等问题，而IEGT则集合了GTO和IGBT的优势，通态压降较低，速度快、损耗小，驱动电流小且易于串联，另外安全工作区宽。一般的GTO产品开通时间需要6laS，关断时间需要30laS，而IEGT的开通和关断时间分别为11-tS、5uS．
1．2电流驱动型
(1)可关断晶闸管(GTO)。GTO又叫门控晶闸管，当门极加负向触发信号时，能够自行关闭。在其诞生之前，已有普通的晶闸管出现，但属于半控型产品，不具备自关断能力，GTO在其原来的基础上进一步创新，既保留了耐高压、电流大等优点，还标志着全控型电力电子器件产品出现。从当前市场产品来看，其容量可达3000A、4500A，明显高于GTR，使用寿命也更长，在变频调速、逆变电源等领域应用较多。但由于工作频率低于GTR，门极反向关断电流较高等原因，逐渐被后来兴起的ICBT、IGCT等产品所取代。
(2)绝缘栅双极晶体管(IGBT)。IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，中文称之为“绝缘栅双极晶体管”，是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件。它是电力电子技术的核心技术，且是电机控制和功率变换器的首选器件。广泛用于轨道交通、航空航天等战略性行业，具有高频率、高电压、大电流，易于开关等优良性能，被业界誉为功率变流装置的“CPU”。它是电力电子领域非常理想的开关器件，其频率特性介于MOSFET和功率晶体管之间，可正常工作在几十Hz的频率范围内，故在较高频率的大、中频率应用中占主要地位。IGBT作为电机控制和功率半导体器件首选器件，在轨道交通、航空航天、船舶驱动、新能源电动汽车、风力发电、太阳能发电、高压变频、工业传动及电力传输等多个重要行业和领域广泛运用。目前，在轨道交通高速动车组、大功率电力机车、城轨车辆几乎普遍采用IGBT：在节能环保领域，IGBT成为节能设备最核心的部件；在电力传输领域，IGBT在柔性输电等技术中发挥越来越大的作用。
2电力电子器件的实际应用
电力是现代社会不可或缺的一种资源，随着各方面应用要求的提高，相关技术为满足需求，也在不断更新。电力电子器件的应用领域很广，如牵引控制、变频调速系统等。近代工业革命后出现了蒸汽机车、内燃机车，电的发明，很快便出现了电力机车，最早是直一直传动形式。大功率硅整流技术开创了一种新传动形式，即交一直传动(交流发电机一硅整流一直流电动机)。20世纪50年代，电力电子技术诞生，60、70年代，开始出现大功率的晶闸管，如GTO，加上微机控制技术也有明显起色，交一直传动形式逐渐被另一种新形式交一直一交传动形式所取代。这一时期，电力电子器件在实际应用时有两大问题，控制功能落后、频率低损耗大，GTO的出现标志着电力电子器件从之前的半控型发展到全控型。
80年代，GTO技术已有了质的提升，MOS器件和IGBT也相继出现，并迅速发展起来，从之前的电流控制型发展到电压控制型。但此时的产品，体积相对较大，为解决这一难题，需将各种电路尽量集成在一个芯片内，所以90年代开始出现智能化、模块化产品，如IPM，属于小型化产品。
进入新世纪后，电力电子器件的发展和更新速度更快，在机车牵引领域的应用也越来越多，交流传动的优势得到了充分发挥，且技术愈发成熟。这一阶段，升级和发展主要集中在功率等级、工作频率、驱动的方便性几方面，也出现了一些新产品。以SiC材料的产品为例，该材料具有大电流、速度快、高耐压、低损耗、门极驱动简单、无吸收电路等优势，是今后研究的主要方向之一。
此外，电力电子器件在其他领域也有着广泛应用。比如用于大功率电磁炉，电磁炉在当今社会非常普遍，商用电磁炉的功率一般比家用电磁炉大，为满足这一要求，电磁炉核心部件开始采用IGBT模块，其设计水平直接关乎整体质量。再有就是断路器永磁机构控制器，由CPU、电容器、电力电子驱动、液晶显示等模块构成。其中，电力电子驱动多采用IGBT，作用非常重要，通过接通分闸、合闸线圈回路，实现控制断路器永磁机构分合闸动作的目的。
3结束语
电力电子器件是电力电子技术的主导，在当前社会很多领域都发挥着重要作用，其研发水准和更新关乎我国电力电子技术的发展。在新环境下，应树立创新意识，根据现状分析未来趋势并积极探索，比如大容量、高频率，应作为今后考虑的重点。对于不断进步的IGBT、IGCT、IEGT等新型产品，应科学应用，使其优势得到最大发挥。
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