电力电子器件及其应用的现状和发展

张生学 宜城市职业高级中学

1 概述

近年来，各种较大功率的半导体器件发展非常迅速，其应用也越来越广泛，并具有变流变频功能，响应速度快，可以方便地实现小电流控制大电流，低电压控制高电压。以碳化硅材料为例，用它制造的电力电子器件物理特性和电特性十分突出，所以应用范围很大，受到业界普遍性欢迎。

2 主要应用于电力系统

在电力系统中碳化硅电力电子器件在以下几个方面得到了广泛的应用：

2.1 固态式变压器

近年来，发展较快的是分布式发电系统，还有智能电网技术。碳化硅因其突出的性能特性广泛应用于固态变压器中。特别是宽禁带（第三代半导体）材料应用方面，主要是使器件在工作时可以很好的适应其温度方面要求。如以6H-SiC，它的为3.0eV，其本征温度超过8000度。以碳化硅为材料，进行电力系统器件，其工作温度能达到6000℃以上。对电力系统来说，可以采用碳化硅作为材料，来制作“高压功率开关控制器”，其优点是，器件在通态状态下，可使电阻值明显出现降低并大幅度提高工作频率。固态变压器 是一个非常重要的关键性装置，其作用是进行能量转换。固态变压器比传统的变压器体积更小，供电质量更高供电效率更高，工作性能更加稳定，可以使传统变压器存在的问题能更好的解决有效解决当前传统变压器所存在的问题。电力电子器件应用于固态变压器中，可使它的结构更加简化，工作性能变得更好。

2.2 柔性交流式输电系统。

柔性交流式输电系统，对当前交流电网来说，是较为先进的一项技术。电力电子器件应用于柔性交流式输电系统，可以更加科学高效地控制系统电压，系统功率和系统的输电品质，并使输电损耗得到有效降低。采用碳化硅材料制作的器件，其击利民场强度远高于普通硅材料（是其8倍），且其电子饱和的漂移速度是普通硅材料漂移速度的2倍。该特性使其通态电阻远低于普通电阻，而且工作效率也在到了普通硅材料的10倍以上，可以长期工作于高温环境下且十分稳定。

2.3 静止无功率补偿器件

对于电力系统来说，静止无功率补偿器主要是在潮流控制以及无功率补偿方面。 以碳化硅为材料制作的电力电子器件，可以使系统的稳定性更好，响应速度更快。目前，最基本的半导体器件制备工艺是掺杂。对于扩散系数这一指标来说，杂质在碳化硅器件和SiO2中同样处于较低水平，所以，当扩散温度条件与碳化硅的有效杂质相适应时， SiO2将不再具有“杂质掩蔽”方面的作用，而且碳化硅材料，在处于同样高温条件下时，性能未能实现稳定，所以不适合采用扩散掺杂的制作技术，而且需要采用“离子注入”或是在材料制备过程中采取伴随掺杂方式来制备。从其晶片制备技术方法来说，包括物理法和化学合成法两种。目前应用较多的是化学合成法中的碳热还原法。因其开关频率得到大幅度提高，它使得电力系统中提供的电能质量得到较为有效地提升，并将布于它的使用，使得无变压器的“STATCOM”型结构，将会在未来的的日子里，得到更广泛的应用，并将大力化推广。

2.4 电力系统中应用于直流输电技术。

以碳化硅材料制作的电力电子器件，对于高压直流输电技术来说，可以起到促进其快速发展的明显作用。之所以这样说，是由于该器件具有良好的耐压性能，其好处可以大大减少电力系统中的各类器件的数量，使其结构变得更加地简化，降低其传输能耗，因此，具有很好的发展前景。

3 广阔发展前景

从目前看，与其应用日趋广泛同步的是，它的研究工作也在不断向前发展。

3.1 肖特基型势垒二极管（SBD）

目前，该种二极管关键性指标——阻断电压已经高达10KV以上，其大电流器件的关键性指标通态电流达130A，其阻断电压超过了5000V。这些优良的性能，使得其应用的范围必将越来越大。而且，通过优化设计，该种二级管所具有的JBS结构，它通态比电阻，与硅器件的理论值相比，仅为其四百分之一，其降低能耗是相当明显的。

3.2 碳化硅场效应器件

该器件，从它的开发优势来说，可以实现阻断电压与通态比电阻这二者的兼顾。近年来，该种器件的耐压值在不断提升，且通态比电阻不断降低。通过对其进行持续性改良，攻克了系统生产工艺难产，使得该器件的品质因子得到很大的提高。

3.3 双极型器件

目前，从使用性能来说，以碳化硅为材料的电力电子器件越来越好，碳化硅“双极型”晶体管已经成为研发和发展方向。该研发的关键性问题在于提升其电流的增益。主要方法有：（1）以外延层来作为基区，以离子注入来形成发射极；（2）使用“达林顿”式结构。

从晶闸管研发来看，目前，传统型的普通晶闸管已经弱化和淡化，研究已经向GTO方向集中和转化。

4 结束语

随着电力电子器件在众多领域的不断应用，随着各种新型器件被不断研发出来，其在性能的优势，在有效降低系统方面的优势将会不断得到人们的重视和关注。我们相信，电力电子器件必将会在今后带来更加重要的技术革新，并使电力电领域得到更好更快的发展前景。