一、 半導(dǎo)體功率器件制造技術(shù)和電源技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新
電源技術(shù)與功率半導(dǎo)體器件制造技術(shù)互依互存，共同發(fā)展。從五十年代初晶閘管整流器問(wèn)世，就揭開(kāi)了功率半導(dǎo)體器件制造技術(shù)和電源技術(shù)長(zhǎng)足發(fā)展的序幕，并奠定了現(xiàn)代電力電子學(xué)的基礎(chǔ)。電力電子技術(shù)包含了電力電子器件制造技術(shù)和電力電子線路與裝置兩大部分，其中電力電子器件及其應(yīng)用技術(shù)是基礎(chǔ)。
電源和功率半導(dǎo)體器件是重要的基礎(chǔ)科學(xué)和產(chǎn)業(yè)，從人們的日常生活到工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)直至科學(xué)研究，都離不開(kāi)電源。而功率半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的發(fā)展又支持了電源技術(shù)的發(fā)展，反之，電源技術(shù)的發(fā)展又對(duì)功率半導(dǎo)體器件提出了更高的要求。因此，電源技術(shù)和半導(dǎo)體功率器件制造技術(shù)正是在這種相依相存的環(huán)境中逐步發(fā)展起來(lái)的。
半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，電源技術(shù)與半導(dǎo)體功率器件制造技術(shù)的發(fā)展不斷創(chuàng)新。經(jīng)歷了從真空閘流管、真空三極管到半導(dǎo)二極管、三極管、晶閘管、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極性晶體管（ＩＧＢＴ）、柵控晶閘管（ＭＣＴ）、等不同時(shí)代的新器件�？傊雽�(dǎo)體功率器件正朝著高頻、大電流、高電壓、柵控可關(guān)斷方向發(fā)展。功率器件的發(fā)展促進(jìn)了電源技術(shù)的升級(jí)換代，同樣電源技術(shù)也正在朝著高頻、大容量、模塊化、高穩(wěn)定度、高效率，并能有效地抑制電網(wǎng)諧波和環(huán)境噪聲污染方向發(fā)展。
未來(lái)，可以相信在新理論、新技術(shù)的引導(dǎo)下；在新材料、新器件的支持下，電源和半導(dǎo)體功率器件將會(huì)進(jìn)入更廣闊的發(fā)展空間。
二、 半導(dǎo)體功率器件的應(yīng)用和電源技術(shù)的發(fā)展
隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)電源和功率器件的要求越來(lái)越高，規(guī)格品種越來(lái)越多，技術(shù)難度越來(lái)越大，涉及的學(xué)術(shù)領(lǐng)域也越來(lái)越廣，工業(yè)電源應(yīng)用的對(duì)象具有多樣性、新穎性和復(fù)雜性，要求電源具備先進(jìn)的控制技術(shù)和多種輸出外特性。
1. 中頻感應(yīng)加熱電源
晶閘管中頻電源基本替代了傳統(tǒng)的中頻電動(dòng)—發(fā)電機(jī)組，廣泛應(yīng)用于熱加工領(lǐng)域。中頻電源至今仍主要采用快速或高頻晶閘管，頻率為300—8000 HZ，單機(jī)功率為25—4000KW，中頻電源主回路大致有三種形式，見(jiàn)下圖。
中頻電源主回路主要由整流橋和逆變橋組成，整流橋大都采用6只普通晶閘管組成三相全控橋式整流電路，該電路的電壓調(diào)節(jié)范圍大；輸出電壓脈動(dòng)頻率較高，可以減輕直流濾波環(huán)節(jié)的負(fù)擔(dān)，使輸出電流更平穩(wěn)。另外，它還可以工作在有源逆變狀態(tài)，當(dāng)逆變橋顛覆時(shí)，將貯存在濾波電抗器中的能量通過(guò)有源逆變方式返回網(wǎng)側(cè)，使逆變電路得到保護(hù)。逆變橋的主要功能是把直流電轉(zhuǎn)變成單相中頻交流電。
逆變橋快速晶閘管關(guān)斷時(shí)間的選擇，應(yīng)根據(jù)逆變電路的頻率而定。不要盲目地追求短時(shí)間；不要認(rèn)為關(guān)斷時(shí)間越短越好，因?yàn)殛P(guān)斷時(shí)間與正向壓降是一對(duì)矛盾。
在電壓型逆變電路中，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆
變橋各橋臂都并聯(lián)了反饋二極管，或叫續(xù)流二極管。續(xù)流二極管應(yīng)根據(jù)設(shè)備的工作頻率選擇軟恢復(fù)二極管或軟快恢復(fù)二極管，不要選擇硬恢復(fù)二極管。因硬恢復(fù)二極管的di/dt比軟恢復(fù)二極管高，過(guò)沖峰值電壓高，因此，硬恢復(fù)二極管在關(guān)斷過(guò)程中的電壓過(guò)沖問(wèn)題比較嚴(yán)重，易損壞與之并聯(lián)的晶閘管。
隨著新型半導(dǎo)體功率器件的不斷出現(xiàn)，電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)有新的變革，中頻感應(yīng)加熱領(lǐng)域也不例外。ＳＩＴ――靜電感應(yīng)晶體管，其關(guān)斷時(shí)間典型值為０.３us；應(yīng)用于小功率、高頻率的整機(jī)，整機(jī)工作頻率可達(dá)３００ＫＨＺ。ＩＧＢＴ――絕緣柵雙極晶體管，其典型關(guān)斷時(shí)間只有０.５５us；整機(jī)功率可達(dá)３０００ＫＷ。但ＩＧＢＴ的正向壓降較高，所以在低頻、大功率電源應(yīng)用中并不占優(yōu)勢(shì)。ＭＣＴ――ＭＯＳ控制晶閘管，其關(guān)斷時(shí)間為２.１us，正向壓降低，串、并聯(lián)容易。無(wú)疑，在未來(lái)這種器件會(huì)在中、高頻電源的逆變技術(shù)中發(fā)揮其應(yīng)有的作用。
２. 電化學(xué)和電熱用電源
電化學(xué)在工業(yè)上的應(yīng)用：
l 水溶液電解制取金屬，如金，銀、銅、鋅、錫、鉛等。
l 水溶液電解制取非金屬（電解食鹽水），如氯、氫、等。
l 熔融鹽電解制取金屬，如鋁、鈦、鎂、鈉、鉀等。
l 電熱化學(xué)制取非金屬，如黃磷，石墨電極、碳化鈣等。
l 電熱化學(xué)制取金屬，如鐵,鋼，鐵合金等。
l 表面電解加工與處理，如電鍍等。
l 界面電化學(xué)，如電泳，電滲析等。
電化學(xué)和電熱用電源一般電流較大，主回路采用雙反星形帶平衡電抗器同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)或橋式同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)。每個(gè)支臂由多只大功率晶閘管或二極管并聯(lián)（元件的正向壓降要接近；但要特別注意機(jī)械結(jié)構(gòu)與支路電感影響元件均流）。
3. 焊接電源
焊接電源的主電路形式是隨著電力電子及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。大致經(jīng)歷了弧焊發(fā)電機(jī)、磁放大器式硅整流焊接電源、晶閘管整流焊接電源、晶閘管逆變焊接電源、晶體管逆變焊接電源和IGBT逆變焊接電源等階段。
3.1弧焊發(fā)電機(jī)及磁放大器式硅整流電源
弧焊發(fā)電機(jī)及磁放大器式硅整流電源，其主電路使用的是弧焊發(fā)電機(jī)、抽頭式和磁放大式硅整流電源。
3.2晶閘管焊接電源
l 晶閘管整流焊接電源，其主電路采用了帶平衡電抗器的六相雙反星形可控整流電路和三相全控橋整流電路。
l 開(kāi)關(guān)、移相式晶閘管焊接電源，反并聯(lián)晶閘管組或雙向晶閘管工作于開(kāi)關(guān)或移相狀態(tài)，以控制電焊機(jī)電流的大小和開(kāi)通時(shí)間。
l 電容儲(chǔ)能式晶閘管焊機(jī)，該焊機(jī)的主回路分為充電回路和橋式放電回路,由全控橋或半控橋組成充電回路，四只晶閘管組成橋式放電回路，以防變壓器磁化。
晶閘管焊接電源與弧焊發(fā)電機(jī)相比，具有效率高、噪聲小、動(dòng)態(tài)性能好的特點(diǎn)；與抽頭式變壓器硅整流電源相比，焊接參數(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，可滿足精度較高的焊接需要；與磁放大器硅整流電源相比，可節(jié)約大量的銅和硅鋼材料，主回路時(shí)間常數(shù)小，動(dòng)態(tài)性能好，而且有利于各種控制方案的實(shí)現(xiàn)。因此，晶閘管焊接電源在焊接電源中占有很大比例。
晶閘管雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但也有其致命的缺點(diǎn)，即晶閘管為半控元件，控制電路只能控制其開(kāi)通，而不能控制其關(guān)斷。對(duì)三相全波整流電路或雙反星形可控整流電路而言，控制周期為3.3MS，該時(shí)間與焊接熔滴過(guò)渡的周期在同一數(shù)量級(jí)上，也就是說(shuō)晶閘管整流焊接電源不可能很好地控制焊接的熔滴過(guò)渡。逆變焊接電源克服了整流焊接電源的這個(gè)缺點(diǎn)。
l 晶閘管逆變弧焊電源，晶閘管逆變弧焊電源是最早的一種逆變式弧焊電源。其主電路是采用AC—DC—AC—DC系統(tǒng)，工作頻率可達(dá)3000HZ，所以變壓器的尺寸和重量都很小，使其整機(jī)的重量只有同容量晶閘管整流焊機(jī)重量的三分之一，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，焊接性能好，高效節(jié)能。但這種焊接電源受晶閘管關(guān)斷時(shí)間的限制，逆變頻率不高，同IGBT逆變焊接電源相比，它的逆變器體積大一些，特別是工作在音頻段，噪聲也大一些。
l IGBT逆變焊接電源，IGBT是發(fā)展最快而且很有前途的一種混合型可關(guān)斷器件。開(kāi)關(guān)頻率已達(dá)到10—30KHZ，用在中大容量的逆變焊接電源中，現(xiàn)在已逐漸成為主流。
4. 電機(jī)用可控硅電源
l 可控硅直流電源可用于發(fā)電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、直流電機(jī)的勵(lì)磁。近期已有用IGBT制作電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)優(yōu)于可控硅系統(tǒng)。
l 可控硅反并聯(lián)組件用于電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置、電機(jī)頻繁倒向開(kāi)關(guān)裝置（主要用于軋鋼生產(chǎn)線）。IGBT變頻器用于電機(jī)的軟起動(dòng)和軟停機(jī)，在性能上優(yōu)于晶閘管電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器，但I(xiàn)GBT變頻器的價(jià)格比晶閘管電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器的價(jià)格高得多。因此，在不需要大幅度調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)域，晶閘管電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器的性價(jià)比比IGBT變頻器高。
l 晶閘管甚低頻交—交變頻用于線繞電機(jī)的進(jìn)相，提高電機(jī)的功率因數(shù)。
l 晶閘管直流不可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)主要用于造紙、印刷等輕工業(yè)。
l 晶閘管直流可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)主要用于軋機(jī)、龍門刨等。
l 晶閘管交流串級(jí)調(diào)速；晶閘管直流牽引。
l 晶閘管斬波器用于線繞電機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速。
5. 電力操作電源
電力操作電源是為發(fā)電廠、水電站及變電站提供直流的電源設(shè)備（即直流屏），包括供給斷路器分合閘及二次回路的儀器儀表、繼電保護(hù)、控制、應(yīng)急燈光照明等各類低壓電器設(shè)備用電。
6. 動(dòng)態(tài)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置
動(dòng)態(tài)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置在電壓等級(jí)（特別是高壓無(wú)功補(bǔ)償裝置采用多只可控硅串聯(lián)）、裝置容量上不斷提高，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化計(jì)算機(jī)控制，在電力補(bǔ)償上得到了成功應(yīng)用（如：晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器），并取得了較大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效應(yīng)。近年來(lái)出現(xiàn)的靜止無(wú)功發(fā)生器、有源電力濾波器等新型電力電子裝置具有更為優(yōu)越的無(wú)功功率和諧波補(bǔ)償?shù)男阅堋?/span>
7. 大功率、高電壓直流電源
大功率、高電壓直流電源廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)的靜電除塵、污水處理。
電源技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域已取得了十分輝煌的成就。功率器件制造技術(shù)是電源技術(shù)的基礎(chǔ)，電源是功率器件制造技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的綜合產(chǎn)物。功率器件制造技術(shù)的每次重大進(jìn)步都對(duì)電源技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件異軍突起，IGBT是MOSFETHE和BJT的復(fù)合。它把MOSFET的驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)和BJT通態(tài)壓降低、載流量大的優(yōu)點(diǎn)集于一身,性能十分優(yōu)越，使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。與IGBT相對(duì)應(yīng)，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）都是MOSFET和GTO的復(fù)合，它們同樣也綜合了MOSFET和GTO兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，是一種很理想的混合功率器件。它們具有高電壓、大電流、低通態(tài)壓降、高電流密度、高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率和高開(kāi)關(guān)速度等優(yōu)點(diǎn)。它們的誕生是大功率開(kāi)關(guān)器件的一項(xiàng)重要突破，就象幾十年前晶閘管的出現(xiàn)迅速取代汞弧整流器和閘流管一樣，柵控可關(guān)斷大功率元件的發(fā)展極有可能使晶閘管及其派生器件被淘汰，或被局限在較窄的應(yīng)用領(lǐng)域，因此，IGBT、IGCT和MCT可能是當(dāng)今功率器件中最有發(fā)展前途的混合功率器件。當(dāng)今，由于MTC受MTC的結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和材料的要求過(guò)高，成品率太低等因素的制約，使其生產(chǎn)和應(yīng)用都陷入了停滯不前的狀態(tài)。盡管如此，我們還是有理由相信它會(huì)在不久的將來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新材料和新工藝的出現(xiàn)，而重現(xiàn)生機(jī)。
