1.3 電力電子器件在變頻器中的應(yīng)用

電力電子器件又稱為功率半導(dǎo)體器件，它在變頻器中作為主電路的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)電能的變換和控制。即通過整流器件構(gòu)成的可控整流電路，完成交流到直流的變換，再經(jīng)過逆變器件實(shí)現(xiàn)直流到交流的變換，并實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出頻率的調(diào)節(jié)。

1.3.1 電力電子器件的發(fā)展概況

電力電子器件的發(fā)展也體現(xiàn)了變頻技術(shù)的發(fā)展。自1950年半導(dǎo)體器件問世以來，電力電子器件的發(fā)展主要經(jīng)歷了四代。

第一代電力電子器件以晶閘管為代表（20世紀(jì)50年代）。1956年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管，1958年通用電氣公司推出了商業(yè)化的產(chǎn)品。晶閘管是一種電流控制型開關(guān)器件，可以實(shí)現(xiàn)小電流控制大功率變換，但開關(guān)頻率低，且導(dǎo)通后不能自行關(guān)斷。

第二代電力電子器件以電力晶體管（GTR）和門極關(guān)斷晶閘管（GTO）為代表（20世紀(jì)60年代）。門極關(guān)斷晶閘管電流型自關(guān)斷型開關(guān)器件可以較容易地實(shí)現(xiàn)整流、斬波、逆變等變頻功能，開關(guān)頻率在1～5kHz之間。

第三代電力電子器件以絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）為代表（20世紀(jì)70年代）。絕緣柵雙極型晶體管電壓控制型自關(guān)斷電力電子器件的開關(guān)頻率很高，達(dá)到20～200kHz，它的應(yīng)用使電氣設(shè)備的高頻化、高效化和小型化得以實(shí)現(xiàn)。

第四代電力電子器件以智能化功率集成電路（PIC）和智能功率模塊（IPM）為代表（20世紀(jì)80、90年代）。它們實(shí)現(xiàn)了開關(guān)頻率的高速化、低導(dǎo)通電壓的高效化和功率器件的集成化，另外還可以集成邏輯控制、保護(hù)、傳感和測(cè)量等功能。

1.3.2 變頻器中常用的電力電子器件

1. 晶閘管（SCR）

晶閘管屬于電流控制型器件，其控制電路復(fù)雜、龐大，工作頻率低，效率低，但其電壓、電流容量較大，目前仍廣泛應(yīng)用于可控整流和交-交變頻等變流電路中。圖1-10所示為一些常見晶閘管的實(shí)物外形。

提示

晶閘管首先由通用電氣公司（GE）研制出來，當(dāng)時(shí)的容量為16A/300V。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前晶閘管的容量已達(dá)3kA/4kV，并出現(xiàn)了快速晶閘管、光控晶閘管多種類型。

2. 門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

SCR在一段時(shí)間內(nèi)幾乎是能夠承受高電壓和大電流的唯一半導(dǎo)體器件。由于在實(shí)際應(yīng)用中常常需要設(shè)置輔助的換流電路來幫助SCR關(guān)斷，這就使得整體線路的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，效率低下，所以后來又開發(fā)出了具有自關(guān)斷能力的門極可關(guān)斷晶閘管GTO。

門極可關(guān)斷晶閘管GTO是一種多元功率集成器件，產(chǎn)品外形如圖1-11所示。GTO與普通晶閘管（SCR）結(jié)構(gòu)相似，同屬于電流控制型器件，一般由十幾個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元組成，由于其電壓、電流容量能做得較大（目前其電壓可達(dá)到6000V，電流可達(dá)到6000A），所以常應(yīng)用于大功率高壓變頻器。

提示

GTO晶閘管作為逆變器件雖然取得了較為滿意的結(jié)果，但因其關(guān)斷控制較容易失敗，工作頻率也不高。在中小容量變頻器中，GTO晶閘管已基本不用。

3. 電力晶體管（GTR）

電力晶體管是一種雙極型、大功率、高反壓晶體管，也稱為巨型晶體管，其產(chǎn)品外形如圖1-12所示。

變頻器用的GTR一般是GTR模塊，它是將兩只或四只、六只甚至七只單管GTR或達(dá)林頓式GTR的管芯封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，這樣做是為了使其耐高壓、大電流，開關(guān)特性好。GTR工作頻率較低，一般為5～10kHz，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，而且其耐沖擊能力差，易受二次擊穿損壞。目前GTR的應(yīng)用一般被絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）所替代。

提示

GTR廣泛應(yīng)用于交流調(diào)速、不間斷電源和變頻電源等電力裝置中，在中小容量電力變流裝置中一度占據(jù)了主導(dǎo)地位。

4. 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）

絕緣柵雙極型晶體管IGBT是一種復(fù)合型三端電力半導(dǎo)體器件，產(chǎn)品外形如圖1-13所示。它將MOSFET與GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，具有輸出特性好、開關(guān)速度快、工作頻率高等特點(diǎn)，一般可達(dá)到20kHz以上，通態(tài)壓降比MOSFET低，輸入阻抗高，耐壓、耐流能力比MOSFET和GTR有所提高，最大電流可達(dá)1800A，最高電壓可達(dá)4500V。在中小容量變頻器電路中，IGBT的應(yīng)用非常廣泛。

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的上述優(yōu)點(diǎn)，使它用于變頻器比BJT（GTR）有更大的吸引力、更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，目前已成為通用變頻器大功率開關(guān)電源、逆變器等電力電子裝置的理想功率器件。

5. 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）

電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）是一種單極型的電壓控制器件，其輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開關(guān)速度快，開關(guān)頻率可達(dá)500kHz以上，廣泛應(yīng)用于高頻開關(guān)電源及小容量電力變流裝置中。

變頻器使用的電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般是N溝道增強(qiáng)型，其產(chǎn)品外形如圖1-14所示。

6. 智能功率模塊（IPM）

IPM是一種混合集成電路，它將大功率開關(guān)元件和驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路等集成在同一個(gè)模塊內(nèi)，這種功率集成電路特別適應(yīng)逆變器高頻化發(fā)展方向的需要。其產(chǎn)品外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-15所示。

目前，IPM一般以IGBT為基本功率開關(guān)元件，構(gòu)成單相或三相逆變器的專用功能模塊，在中小容量變頻器中廣泛應(yīng)用。

提示

除了在工業(yè)變頻器中被大量采用后，經(jīng)濟(jì)型的IPM在近年來也開始在一些民用產(chǎn)品如家用空調(diào)變頻器、冰箱變頻器、洗衣機(jī)變頻器中得到應(yīng)用。

7. 功率集成模塊（PIM）

功率集成模塊內(nèi)部高度集成了整流模塊、逆變模塊、各種傳感器、保護(hù)電路及驅(qū)動(dòng)電路。如圖1-16 所示是德國(guó)歐派克BSM50GD120DN2和富士公司生產(chǎn)的7MBP150RA120-05功率模塊，內(nèi)部集成了整流模塊、功率因數(shù)校正電路、IGBT逆變模塊及各種檢測(cè)保護(hù)功能。模塊的典型開關(guān)頻率為20kHz，保護(hù)功能為欠電壓、過電壓和過熱故障時(shí)輸出故障信號(hào)燈。

1.3.3 電力半導(dǎo)體器件的比較

電力半導(dǎo)體器件的主要性能參數(shù)為電壓、電流、工作頻率三項(xiàng)指標(biāo)，通過這三項(xiàng)指標(biāo)的比較可以清楚地說明各種器件的優(yōu)勢(shì)和各自的應(yīng)用范圍。

一般來說，SCR、GTO等屬于高壓、大電流器件，但開關(guān)頻率較低；功率晶體管BJT與IGBT居中，工作頻率較高，并且IGBT已覆蓋BJT；MOSFET的工作頻率最高，但容量相對(duì)較低；而一些新型器件如SITH、MCT等則在各方面均有較大潛力。表1-3列出了全控型器件的性能比較。

目前，電力半導(dǎo)體正向大功率、高頻率和易驅(qū)動(dòng)這三個(gè)方向發(fā)展，其他新型產(chǎn)品如SITH、MCT等大功率器件將實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，功率集成電路也將會(huì)使電力電子技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。