電力電子器件及其應用的現(xiàn)狀和發(fā)展

張生學 宜城市職業(yè)高級中學

1 概述

近年來，各種較大功率的半導體器件發(fā)展非常迅速，其應用也越來越廣泛，并具有變流變頻功能，響應速度快，可以方便地實現(xiàn)小電流控制大電流，低電壓控制高電壓。以碳化硅材料為例，用它制造的電力電子器件物理特性和電特性十分突出，所以應用范圍很大，受到業(yè)界普遍性歡迎。

2 主要應用于電力系統(tǒng)

在電力系統(tǒng)中碳化硅電力電子器件在以下幾個方面得到了廣泛的應用：

2.1 固態(tài)式變壓器

近年來，發(fā)展較快的是分布式發(fā)電系統(tǒng)，還有智能電網(wǎng)技術(shù)。碳化硅因其突出的性能特性廣泛應用于固態(tài)變壓器中。特別是寬禁帶（第三代半導體）材料應用方面，主要是使器件在工作時可以很好的適應其溫度方面要求。如以6H-SiC，它的為3.0eV，其本征溫度超過8000度。以碳化硅為材料，進行電力系統(tǒng)器件，其工作溫度能達到6000℃以上。對電力系統(tǒng)來說，可以采用碳化硅作為材料，來制作“高壓功率開關(guān)控制器”，其優(yōu)點是，器件在通態(tài)狀態(tài)下，可使電阻值明顯出現(xiàn)降低并大幅度提高工作頻率。固態(tài)變壓器 是一個非常重要的關(guān)鍵性裝置，其作用是進行能量轉(zhuǎn)換。固態(tài)變壓器比傳統(tǒng)的變壓器體積更小，供電質(zhì)量更高供電效率更高，工作性能更加穩(wěn)定，可以使傳統(tǒng)變壓器存在的問題能更好的解決有效解決當前傳統(tǒng)變壓器所存在的問題。電力電子器件應用于固態(tài)變壓器中，可使它的結(jié)構(gòu)更加簡化，工作性能變得更好。

2.2 柔性交流式輸電系統(tǒng)。

柔性交流式輸電系統(tǒng)，對當前交流電網(wǎng)來說，是較為先進的一項技術(shù)。電力電子器件應用于柔性交流式輸電系統(tǒng)，可以更加科學高效地控制系統(tǒng)電壓，系統(tǒng)功率和系統(tǒng)的輸電品質(zhì)，并使輸電損耗得到有效降低。采用碳化硅材料制作的器件，其擊利民場強度遠高于普通硅材料（是其8倍），且其電子飽和的漂移速度是普通硅材料漂移速度的2倍。該特性使其通態(tài)電阻遠低于普通電阻，而且工作效率也在到了普通硅材料的10倍以上，可以長期工作于高溫環(huán)境下且十分穩(wěn)定。

2.3 靜止無功率補償器件

對于電力系統(tǒng)來說，靜止無功率補償器主要是在潮流控制以及無功率補償方面。 以碳化硅為材料制作的電力電子器件，可以使系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好，響應速度更快。目前，最基本的半導體器件制備工藝是摻雜。對于擴散系數(shù)這一指標來說，雜質(zhì)在碳化硅器件和SiO2中同樣處于較低水平，所以，當擴散溫度條件與碳化硅的有效雜質(zhì)相適應時， SiO2將不再具有“雜質(zhì)掩蔽”方面的作用，而且碳化硅材料，在處于同樣高溫條件下時，性能未能實現(xiàn)穩(wěn)定，所以不適合采用擴散摻雜的制作技術(shù)，而且需要采用“離子注入”或是在材料制備過程中采取伴隨摻雜方式來制備。從其晶片制備技術(shù)方法來說，包括物理法和化學合成法兩種。目前應用較多的是化學合成法中的碳熱還原法。因其開關(guān)頻率得到大幅度提高，它使得電力系統(tǒng)中提供的電能質(zhì)量得到較為有效地提升，并將布于它的使用，使得無變壓器的“STATCOM”型結(jié)構(gòu)，將會在未來的的日子里，得到更廣泛的應用，并將大力化推廣。

2.4 電力系統(tǒng)中應用于直流輸電技術(shù)。

以碳化硅材料制作的電力電子器件，對于高壓直流輸電技術(shù)來說，可以起到促進其快速發(fā)展的明顯作用。之所以這樣說，是由于該器件具有良好的耐壓性能，其好處可以大大減少電力系統(tǒng)中的各類器件的數(shù)量，使其結(jié)構(gòu)變得更加地簡化，降低其傳輸能耗，因此，具有很好的發(fā)展前景。

3 廣闊發(fā)展前景

從目前看，與其應用日趨廣泛同步的是，它的研究工作也在不斷向前發(fā)展。

3.1 肖特基型勢壘二極管（SBD）

目前，該種二極管關(guān)鍵性指標——阻斷電壓已經(jīng)高達10KV以上，其大電流器件的關(guān)鍵性指標通態(tài)電流達130A，其阻斷電壓超過了5000V。這些優(yōu)良的性能，使得其應用的范圍必將越來越大。而且，通過優(yōu)化設計，該種二級管所具有的JBS結(jié)構(gòu)，它通態(tài)比電阻，與硅器件的理論值相比，僅為其四百分之一，其降低能耗是相當明顯的。

3.2 碳化硅場效應器件

該器件，從它的開發(fā)優(yōu)勢來說，可以實現(xiàn)阻斷電壓與通態(tài)比電阻這二者的兼顧。近年來，該種器件的耐壓值在不斷提升，且通態(tài)比電阻不斷降低。通過對其進行持續(xù)性改良，攻克了系統(tǒng)生產(chǎn)工藝難產(chǎn)，使得該器件的品質(zhì)因子得到很大的提高。

3.3 雙極型器件

目前，從使用性能來說，以碳化硅為材料的電力電子器件越來越好，碳化硅“雙極型”晶體管已經(jīng)成為研發(fā)和發(fā)展方向。該研發(fā)的關(guān)鍵性問題在于提升其電流的增益。主要方法有：（1）以外延層來作為基區(qū)，以離子注入來形成發(fā)射極；（2）使用“達林頓”式結(jié)構(gòu)。

從晶閘管研發(fā)來看，目前，傳統(tǒng)型的普通晶閘管已經(jīng)弱化和淡化，研究已經(jīng)向GTO方向集中和轉(zhuǎn)化。

4 結(jié)束語

隨著電力電子器件在眾多領域的不斷應用，隨著各種新型器件被不斷研發(fā)出來，其在性能的優(yōu)勢，在有效降低系統(tǒng)方面的優(yōu)勢將會不斷得到人們的重視和關(guān)注。我們相信，電力電子器件必將會在今后帶來更加重要的技術(shù)革新，并使電力電領域得到更好更快的發(fā)展前景。