1.3 电力电子器件在变频器中的应用
电力电子器件又称为功率半导体器件，它在变频器中作为主电路的重要组成部分，实现电能的变换和控制。即通过整流器件构成的可控整流电路，完成交流到直流的变换，再经过逆变器件实现直流到交流的变换，并实现对输出频率的调节。
1.3.1 电力电子器件的发展概况
电力电子器件的发展也体现了变频技术的发展。自1950年半导体器件问世以来，电力电子器件的发展主要经历了四代。
第一代电力电子器件以晶闸管为代表（20世纪50年代）。1956年贝尔实验室发明了晶闸管，1958年通用电气公司推出了商业化的产品。晶闸管是一种电流控制型开关器件，可以实现小电流控制大功率变换，但开关频率低，且导通后不能自行关断。
第二代电力电子器件以电力晶体管（GTR）和门极关断晶闸管（GTO）为代表（20世纪60年代）。门极关断晶闸管电流型自关断型开关器件可以较容易地实现整流、斩波、逆变等变频功能，开关频率在1～5kHz之间。
第三代电力电子器件以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表（20世纪70年代）。绝缘栅双极型晶体管电压控制型自关断电力电子器件的开关频率很高，达到20～200kHz，它的应用使电气设备的高频化、高效化和小型化得以实现。
第四代电力电子器件以智能化功率集成电路（PIC）和智能功率模块（IPM）为代表（20世纪80、90年代）。它们实现了开关频率的高速化、低导通电压的高效化和功率器件的集成化，另外还可以集成逻辑控制、保护、传感和测量等功能。
1.3.2 变频器中常用的电力电子器件
1. 晶闸管（SCR）
晶闸管属于电流控制型器件，其控制电路复杂、庞大，工作频率低，效率低，但其电压、电流容量较大，目前仍广泛应用于可控整流和交-交变频等变流电路中。图1-10所示为一些常见晶闸管的实物外形。
图1-10 晶闸管实物外形
提示
晶闸管首先由通用电气公司（GE）研制出来，当时的容量为16A/300V。经过几十年的发展，目前晶闸管的容量已达3kA/4kV，并出现了快速晶闸管、光控晶闸管多种类型。
2. 门极可关断晶闸管（GTO）
SCR在一段时间内几乎是能够承受高电压和大电流的唯一半导体器件。由于在实际应用中常常需要设置辅助的换流电路来帮助SCR关断，这就使得整体线路的结构变得复杂，效率低下，所以后来又开发出了具有自关断能力的门极可关断晶闸管GTO。
门极可关断晶闸管GTO是一种多元功率集成器件，产品外形如图1-11所示。GTO与普通晶闸管（SCR）结构相似，同属于电流控制型器件，一般由十几个甚至数百个共阳极的小GTO元组成，由于其电压、电流容量能做得较大（目前其电压可达到6000V，电流可达到6000A），所以常应用于大功率高压变频器。
图1-11 门极可关断晶闸管外形
提示
GTO晶闸管作为逆变器件虽然取得了较为满意的结果，但因其关断控制较容易失败，工作频率也不高。在中小容量变频器中，GTO晶闸管已基本不用。
3. 电力晶体管（GTR）
电力晶体管是一种双极型、大功率、高反压晶体管，也称为巨型晶体管，其产品外形如图1-12所示。
图1-12 GTR电力晶体管外形
变频器用的GTR一般是GTR模块，它是将两只或四只、六只甚至七只单管GTR或达林顿式GTR的管芯封装在一个管壳内，这样做是为了使其耐高压、大电流，开关特性好。GTR工作频率较低，一般为5～10kHz，驱动功率大，驱动电路复杂，而且其耐冲击能力差，易受二次击穿损坏。目前GTR的应用一般被绝缘栅双极型晶体管（IGBT）所替代。
提示
GTR广泛应用于交流调速、不间断电源和变频电源等电力装置中，在中小容量电力变流装置中一度占据了主导地位。
4. 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）
绝缘栅双极型晶体管IGBT是一种复合型三端电力半导体器件，产品外形如图1-13所示。它将MOSFET与GTR的优点集于一身，具有输出特性好、开关速度快、工作频率高等特点，一般可达到20kHz以上，通态压降比MOSFET低，输入阻抗高，耐压、耐流能力比MOSFET和GTR有所提高，最大电流可达1800A，最高电压可达4500V。在中小容量变频器电路中，IGBT的应用非常广泛。
图1-13 绝缘栅双极型晶体管外形
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的上述优点，使它用于变频器比BJT（GTR）有更大的吸引力、更广泛的应用领域，目前已成为通用变频器大功率开关电源、逆变器等电力电子装置的理想功率器件。
5. 电力场效应晶体管（MOSFET）
电力场效应晶体管（MOSFET）是一种单极型的电压控制器件，其输入阻抗高、驱动功率小、驱动电路简单、开关速度快，开关频率可达500kHz以上，广泛应用于高频开关电源及小容量电力变流装置中。
变频器使用的电力场效应晶体管一般是N沟道增强型，其产品外形如图1-14所示。
图1-14 电力场效应晶体管外形
6. 智能功率模块（IPM）
IPM是一种混合集成电路，它将大功率开关元件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内，这种功率集成电路特别适应逆变器高频化发展方向的需要。其产品外形及内部结构如图1-15所示。
图1-15 智能功率模块及内部结构
目前，IPM一般以IGBT为基本功率开关元件，构成单相或三相逆变器的专用功能模块，在中小容量变频器中广泛应用。
提示
除了在工业变频器中被大量采用后，经济型的IPM在近年来也开始在一些民用产品如家用空调变频器、冰箱变频器、洗衣机变频器中得到应用。
7. 功率集成模块（PIM）
功率集成模块内部高度集成了整流模块、逆变模块、各种传感器、保护电路及驱动电路。如图1-16 所示是德国欧派克BSM50GD120DN2和富士公司生产的7MBP150RA120-05功率模块，内部集成了整流模块、功率因数校正电路、IGBT逆变模块及各种检测保护功能。模块的典型开关频率为20kHz，保护功能为欠电压、过电压和过热故障时输出故障信号灯。
图1-16 功率集成模块外形
1.3.3 电力半导体器件的比较
电力半导体器件的主要性能参数为电压、电流、工作频率三项指标，通过这三项指标的比较可以清楚地说明各种器件的优势和各自的应用范围。
一般来说，SCR、GTO等属于高压、大电流器件，但开关频率较低；功率晶体管BJT与IGBT居中，工作频率较高，并且IGBT已覆盖BJT；MOSFET的工作频率最高，但容量相对较低；而一些新型器件如SITH、MCT等则在各方面均有较大潜力。表1-3列出了全控型器件的性能比较。
表1-3 全控型电力电子器件性能的比较
目前，电力半导体正向大功率、高频率和易驱动这三个方向发展，其他新型产品如SITH、MCT等大功率器件将实现实用化，功率集成电路也将会使电力电子技术进入一个新的发展阶段。