自1957年晶閘管問世,標志著電力電子技術的誕生,從此電子技術向兩個分支發展。一支是以晶體管集成電路為核心形成對信息處理的微電子技術,其發展特點是集成度愈來愈高,集成規模越來越大,功能越來越全。另一支是以晶閘管為核心形成對電力處理的電力電子技術,其發展特點是晶閘管的派生器件越來越多,功率越來越大,性能越來越好。
傳統的電力電子器件已發展到相當成熟的階段,但在實際中卻存在兩個制約其繼續發展的致命因素。一是控制功能上的欠缺,因為通過門極只能控制其開通而不能控制其關斷,屬于半控型器件。二是此類器件立足于分立元件結構,開通損耗大,工作頻率難以提高,一般情況下難以高于400Hz,因而大大地限制了其應用范圍。因此,半控制器件的發展已處于停滯狀態。
到了70年代末,可關斷晶閘管(GTO)器件日趨成熟,標志著電力電子器件已經從半控型器件發展到全控制型器件。
進入80年代以后,伴隨著GTO器件的發展及成熟,MOS器件的開發則繁花似錦。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)獨占鰲頭。至此電力電子器件又從電流控制型器件發展到電壓控制型器件。90年代,電力電子器件又在向智能化、模塊化方向發展,力求將電力器件與驅動電路、保護電路、檢測電路等集成在一個芯片或模塊內,使裝置更趨小型化、智能化,其典型器件是IPM。而IGCT器件既具有IGBT器件的開關特性,同時又具有GTO器件的導通特性,且制造成本較低(與GTO和IGBT相比),可以獲得和 GTO晶閘管一樣的產量,即其集IGBT與GTO二者優勢于一身,預計今后會在更多的工業和牽引領域中發揮作用。
總之,電力電子器件的發展經歷了從半控到全控、從電流控制型到電壓控制型、從單個元件到模塊化再到智能化的發展過程。
一、牽引領域三種主導電力電子器件應用特性比較
從應用角度出發,對GTO、IGBT、IGCT這三種主導電力電子器件的主要性能比較。
GTO電壓、電流容量大,適用于大功率場合,具有電導調制效應;IGBT開關速度高,開關損耗小,具有耐脈沖電流沖擊的能力,通態壓降較低,輸入阻抗高,為電壓驅動,驅動功率小;IGCT具有前兩者的有點于一身,具有高阻斷電壓和低通損耗。
二、據電力電子器件的發展現狀及趨勢,預計在今后幾年,電力電子器件將在以下方面取得進展:
1.已進入實用化的全控型器件將在功率等級、易于驅動和更高工作頻率這三個方面繼續改善和提高。
2.由于MCT、IGBT、IGCT等器件的大容量化及實用化,在更多的領域,IGBT和IGCT將取代GTO。
3.IGCT等新型混合器件將逐步得以推廣應用。
4.功率集成電路將會有更進一步的發展。這將預示著電力電子技術將躍入一個新的時代。
5.新型半導體材料Si C的問世,將預示著在不遠的將來會誕生一種集高耐壓、大電流、高開關速度、無吸收電路、簡單的門極驅動、低損耗等所有優點于一身的新型Si C電力器件。
三、電力電子器件在變流技術及機車牽引領域的應用
80年代以前,在機車牽引領域,電力電子器件主要用于直流傳動系統中的整流器和斬波器以及輔助傳動系統。電力電子器件主要是晶閘管。
進入80年代以后,隨著機車技術的發展,交流傳動技術日趨成熟。