第一代电力电子器件

电力电子器件是电力电子技术发展的基础,也是电力电子技术发展的动力。从1957年美国通用电气(GE)公司发明了半导体开关器件———晶闸管(siliconcontrolledrectifier,SCR)以
来,电力电子器件已经走过了50年的概念更新、性能换代的发展历程。大体可分为以下三代:
(一)第一代电力电子器件
以硅整流管和晶闸管(SCR)为代表的第一代电力电子器件,以其体积小、功耗低等优点首先在大功率整流电路中迅速取代老式的汞弧整流器,取得了明显的节能效果,并奠定了现代电力电子技术的基础。硅整流管又称电力二极管,产生于20世纪40年代,是电力电子器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前,硅整流管已形成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管三种主要类型。电力二极管对改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面都具有非常重要的作用。随着各种高性能电力电子器件的出现,开发具有良好高频性能的电力整流管显得非常必要。目前,人们已经通过新颖结构的设计和大规模集成电路制作工艺的运用,研制出一些新型高压快恢复整流管。
1957年硅晶闸管问世以后,电力电子器件的研究者作出了不懈的努力,经过结构的改进
和工艺的改革,使新器件不断出现,相继开发出一系列晶闸管的派生器件。1964年,双向晶闸
管在GE公司开发成功。1965年,小功率光触发晶闸管出现,为其后出现的光耦合器打下了
基础。20世纪60年代后期,大功率逆变晶闸管问世,成为当时逆变电路的基本元件。1974
年,逆导晶闸管和非对称晶闸管研制完成。经过工艺完善和应用开发,到20世纪70年代,晶
闸管已经形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品。普通晶闸管广泛应用于交直流调
速、调光、调温等低频(400Hz以下)领域,运用由它所构成的电路对电网进行控制和变换是一
种简便而经济的方法。不过,这种装置的运行会产生波形畸变和降低功率因数,影响电网的质
量。目前的技术水平为12000V/1000A和6500V/4000A。双向晶闸管常用于交流调压和调
功电路中。光控晶闸管是通过光信号控制晶闸管导通的器件,它具有很强的抗干扰能力、良好
的高压绝缘性能和较高的瞬时过电压承受能力,因而被应用于高压直流输电(HVDC)、静止无
功功率补偿(SVC)等领域。逆变晶闸管因具有较短的关断时间(10~15s),主要用于中频感应
加热。在逆变电路中,它已让位于GTR、GTO、IGBT等新器件。与普通晶闸管相比,逆导晶
闸管具有关断时间短、正向压降小、额定结温高、高温特性好等优点,主要用于逆变器和整流
器中。
由晶闸管及其派生器件构成的各种电力电子系统,在工业应用中主要解决了传统的电能
交换装置中所存在的能耗大和装置笨重等问题,因而大大提高了电能的利用率,同时也使工作
噪声得到一定程度的控制。近十几年来,随着自关断器件的飞速发展,晶闸管的应用领域有所
缩水,但是,由于晶闸管具有高电压大电流特性,因此它在高压直流输电(HVDC)、静止无功补
偿(SVC)、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍占有十分重要地位。预计
在今后若干年内,晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。然而,由于晶闸管是
只能通过门极电压控制其导通,而不能控制其关断的半控型器件,这就使它的应用范围受到了
极大的限制。