电力电子器件的发展趋势及现状分析

电力电子器件的主要性能指标是电压、电流和工作频率三个参数，通过对这三项参数的比较即可明白每种器件的应用范围。

（1）单管的输出功率

图1.1　单个器件输出功率与工作频率的关系

图1.1 所示为逆变器每臂用单个器件时的输出功率与工作频率的关系曲线。由图1.1 可知，传统的晶闸管（SCR）输出功率最大，但工作频率最低。门极可关断晶闸管（GTO）目前输出功率稍低于SCR，在大容量高电压领域，GTO 是SCR 的有力对手。其他全控型器件也难与GTO 匹敌。在目前开发的高压大容量新产品中，几乎没有使用SCR 逆变器的。

电力晶体管（GTR）的容量范围介于GTO 和电力MOSFET 之间，控制GTR 比GTO 更方便，加之GTR 的工作频率较高，故凡是能用GTR 解决问题的领域尽量避免使用GTO。GTR 适用于380 V 电网和500 kW 的容量范围。如果电网电压达到600 V 以上，则由于GTR 耐压所限而难于发挥作用。但是对GTR 来说，电压和容量在上述使用范围内还有较大余地。

由于电力MOSFET 可工作在高频下，用于高频化的逆变器、斩波器时，其体积、质量大大减小，变流性能大大提高。目前在10 kW 以下的开关电路中，电力MOSFET 备受青睐。绝缘栅双极晶体管（IGBT）的容量目前已大于电力MOSFET 和GTR，它的应用范围正在逐步扩展。至于MOS 控制型晶闸管（MCT）、静电感应晶闸管（SITH）、静电感应晶体管（SIT）以及集成门极换流晶闸管（IGCT）等器件，虽已有一定应用，但尚未进入工业化广泛应用阶段，在这里不作详细比较。

（2）电流和电压的等级

几种全控型器件的电压与电流等级的比较曲线如图1.2 所示。由图可知，GTO、SITH 属于高电压、大电流器件，GTR、IGBT 和电力MOSFET 的电压、电流容量不及GTO、SITH。GTO、SITH 在电压和电流两个方面仍有发展余地，至少在理论上是有发展自由度的。GTR 的电流仍可增大，但是电压难以高出1 500 V。由于电力MOSFET 的导通电阻随着电压的升高而增大，因此，耐压的提高也是有困难的。从发展前途来看，IGBT 的电压、电流容量可更高于GTR的容量，因此，它是很有前途的一种新型器件。(www.xing528.com)

图1.2　几种全控型器件的电压和电流等级的比较曲线

图1.3　1 000 V 级器件功率损耗与工作频率的关系

（3）功率损耗

图1.3 给出了1 000 V 级器件功率损耗与工作频率的关系曲线。由图1.3 可知，电力MOSFET 的功率损耗最大。这是由于导通电阻大的缘故，但是它的功率损耗随着频率的增加幅度变化很小。说明电力MOSFET 的开关损耗很小，可见电力MOSFET 最适合在高频下工作。GTO、GTR 和IGBT 虽然低频时管压降较低、功耗小，但是随着工作频率的增加，开关损耗急剧上升。因此，由于功耗的局限，GTO、GTR 和IGBT 的工作频率不可能超过电力MOSFET。

实践证明，各种器件以自己的某种优势占领一定范围的应用领域，但与其他器件会有竞争，因此用户可有更多的选择。不过每种器件都有自己的局限性，所以应用范围受到限制，最终各种器件在竞争的基础上形成互补的局面。

目前，日本、美国和欧洲一些发达国家在400 kW 以下的电力电子变频装置中基本上都采用IGBT；高频化的开关电源装置普遍采用电力MOSFET；而在大容量的电力电子装置中，GTO逐步得到推广应用。

未来电力电子器件的发展方向主要在两个方面：一方面是进一步研制全控型的大容量、高开关频率、低损耗、低价格的电力电子器件；另一方面是实现电力电子器件的智能模块化和系统模块化。功率模块和功率集成电路的广泛应用，可以使电力电子系统更简单、更可靠。而系统模块化技术可将功率变换器、逆变器的标准电路与电机控制电路、电源、电子开关等集成在一个模块中。把一台电力电子装置的所有硬件都封装在一个模块内，可以使装置的体积最小，引线最短，寄生电感和电容最低，可靠性大大提高。这些技术在国外发展很快，国内现状远远落后于国外，在有些方面甚至还是空白。