從1958年美國通用電氣(GE)公司研制出世界上第一個產(chǎn)業(yè)用普通晶閘管開始,電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機組和靜止的離子變流器進進由電力電子器件構(gòu)成的變流器時代,這標志著電力電子技術的誕生。到了70年代,晶閘管開始形成由低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品。同時,非對稱晶閘管、逆導晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等晶閘管派生器件相繼問世,廣泛應用于各種變流裝置。由于它們具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、響應快等優(yōu)點,其研制及應用得到了飛速發(fā)展。
電力電子器件種類
由于普通晶閘管不能自關斷,屬于半控型器件,因而被稱作第一代電力電子器件。在實際需要的推動下,隨著理論研究和工藝水平的不斷進步,電力電子器件在容量和類型等方面得到了很大發(fā)展,先后出現(xiàn)了GTR、GTO、功率MOSET等自關斷、全控型器件,被稱為第二代電力電子器件。近年來,電力電子器件正朝著復合化、模塊化及功率集成的方向發(fā)展,如IGPT、MCT、HVIC等就是這種發(fā)展的產(chǎn)物。
1,電力整流管
整流管產(chǎn)生于本世紀40年代,是電力電子器件中結(jié)構(gòu)最簡單、使用最廣泛的一種器件。目前已形成普通整流管、快恢復整流管和肖特基整流管等三種主要類型。其中普通整流管的特點是:漏電流小、通態(tài)壓降較高(1 0~1 8V)、反向恢復時間較長(幾十微秒)、可獲得很高的電壓和電流定額。多用于牽引、充電、電鍍等對轉(zhuǎn)換速度要求不高的裝置中。較快的反向恢復時間(幾百納秒至幾微秒)是快恢復整流管的明顯特點,但是它的通態(tài)壓降卻很高(1 6~4 0V)。它主要用于斬波、逆變等電路中充當旁路二極管或阻塞二極管。肖特基整流管兼有快的反向恢復時間(幾乎為零)和低的通態(tài)壓降(0.3~0.6V)的優(yōu)點,不過其漏電流較大、耐壓能力低,常用于高頻低壓儀表和開關電源。目前的研制水平為:普通整流管(8000V/5000A/400Hz);快恢復整流管(6000V/1200A/1000Hz);肖特基整流管(1000V/100A/200kHz)。
電力整流管對改善各種電力電子電路的性能、降低電路損耗和進步電源使用效率等方面都具有非常重要的作用。隨著各種高性能電力電子器件的出現(xiàn),開發(fā)具有良好高頻性能的電力整流管顯得非常必要。目前,人們已通過新奇結(jié)構(gòu)的設計和大規(guī)模集成電路制作工藝的運用,研制出集PIN整流管和肖特基整流管的優(yōu)點于一體的具有MPS、SPEED和SSD等結(jié)構(gòu)的新型高壓快恢復整流管。它們的通態(tài)壓降為1V左右,反向恢復時間為PIN整流管的1/2,反向恢復峰值電流為PIN整流管的1/3。
2,晶閘管及其派生器件
晶閘管誕生后,其結(jié)構(gòu)的改進和工藝的改革,為新器件的不斷出現(xiàn)提供了條件。 1964年,雙向晶閘管在GE公司開發(fā)成功,應用于調(diào)光和馬達控制;1965年,小功率光觸發(fā)晶閘管出現(xiàn),為其后出現(xiàn)的光耦合器打下了基礎; 60年代后期,大功率逆變晶閘管問世,成為當時逆變電路的基本元件; 1974年,逆導晶閘管和非對稱晶閘管研制完成。
普通晶閘管廣泛應用于交直流調(diào)速、調(diào)光、調(diào)溫等低頻(400Hz以下)領域,運用由它所構(gòu)成的電路對電網(wǎng)進行控制和變換是一種簡便而經(jīng)濟的辦法。不過,這種裝置的運行會產(chǎn)生波形畸變和降低功率因數(shù)、影響電網(wǎng)的質(zhì)量。目前水平為12kV/1kA和6500V/4000A。