機(jī)車(chē)牽引領(lǐng)域電力電子器件的發(fā)展

自1957年晶閘管問(wèn)世，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生，從此電子技術(shù)向兩個(gè)分支發(fā)展。一支是以晶體管集成電路為核心形成對(duì)信息處理的微電子技術(shù)，其發(fā)展特點(diǎn)是集成度愈來(lái)愈高，集成規(guī)模越來(lái)越大，功能越來(lái)越全。另一支是以晶閘管為核心形成對(duì)電力處理的電力電子技術(shù)，其發(fā)展特點(diǎn)是晶閘管的派生器件越來(lái)越多，功率越來(lái)越大，性能越來(lái)越好。

傳統(tǒng)的電力電子器件已發(fā)展到相當(dāng)成熟的階段，但在實(shí)際中卻存在兩個(gè)制約其繼續(xù)發(fā)展的致命因素。一是控制功能上的欠缺，因?yàn)橥ㄟ^(guò)門(mén)極只能控制其開(kāi)通而不能控制其關(guān)斷，屬于半控型器件。二是此類(lèi)器件立足于分立元件結(jié)構(gòu)，開(kāi)通損耗大，工作頻率難以提高，一般情況下難以高于400Hz，因而大大地限制了其應(yīng)用范圍。因此，半控制器件的發(fā)展已處于停滯狀態(tài)。

到了70年代末，可關(guān)斷晶閘管(GTO)器件日趨成熟，標(biāo)志著電力電子器件已經(jīng)從半控型器件發(fā)展到全控制型器件。

進(jìn)入80年代以后，伴隨著GTO器件的發(fā)展及成熟，MOS器件的開(kāi)發(fā)則繁花似錦。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)獨(dú)占鰲頭。至此電力電子器件又從電流控制型器件發(fā)展到電壓控制型器件。90年代，電力電子器件又在向智能化、模塊化方向發(fā)展，力求將電力器件與驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路等集成在一個(gè)芯片或模塊內(nèi)，使裝置更趨小型化、智能化，其典型器件是IPM。而IGCT器件既具有IGBT器件的開(kāi)關(guān)特性，同時(shí)又具有GTO器件的導(dǎo)通特性，且制造成本較低(與GTO和IGBT相比)，可以獲得和 GTO晶閘管一樣的產(chǎn)量，即其集IGBT與GTO二者優(yōu)勢(shì)于一身，預(yù)計(jì)今后會(huì)在更多的工業(yè)和牽引領(lǐng)域中發(fā)揮作用。

總之，電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了從半控到全控、從電流控制型到電壓控制型、從單個(gè)元件到模塊化再到智能化的發(fā)展過(guò)程。

一、牽引領(lǐng)域三種主導(dǎo)電力電子器件應(yīng)用特性比較

從應(yīng)用角度出發(fā)，對(duì)GTO、IGBT、IGCT這三種主導(dǎo)電力電子器件的主要性能比較。

GTO電壓、電流容量大，適用于大功率場(chǎng)合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng);IGBT開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小;IGCT具有前兩者的有點(diǎn)于一身，具有高阻斷電壓和低通損耗。

二、據(jù)電力電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，預(yù)計(jì)在今后幾年，電力電子器件將在以下方面取得進(jìn)展：

1.已進(jìn)入實(shí)用化的全控型器件將在功率等級(jí)、易于驅(qū)動(dòng)和更高工作頻率這三個(gè)方面繼續(xù)改善和提高。

2.由于MCT、IGBT、IGCT等器件的大容量化及實(shí)用化，在更多的領(lǐng)域，IGBT和IGCT將取代GTO。

3.IGCT等新型混合器件將逐步得以推廣應(yīng)用。

4.功率集成電路將會(huì)有更進(jìn)一步的發(fā)展。這將預(yù)示著電力電子技術(shù)將躍入一個(gè)新的時(shí)代。

5.新型半導(dǎo)體材料Si C的問(wèn)世，將預(yù)示著在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)誕生一種集高耐壓、大電流、高開(kāi)關(guān)速度、無(wú)吸收電路、簡(jiǎn)單的門(mén)極驅(qū)動(dòng)、低損耗等所有優(yōu)點(diǎn)于一身的新型Si C電力器件。

三、電力電子器件在變流技術(shù)及機(jī)車(chē)牽引領(lǐng)域的應(yīng)用

80年代以前，在機(jī)車(chē)牽引領(lǐng)域，電力電子器件主要用于直流傳動(dòng)系統(tǒng)中的整流器和斬波器以及輔助傳動(dòng)系統(tǒng)。電力電子器件主要是晶閘管。

進(jìn)入80年代以后，隨著機(jī)車(chē)技術(shù)的發(fā)展，交流傳動(dòng)技術(shù)日趨成熟。