电力电子器件（PowerElectronicDevice），又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）电子器件。可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶闸管为半控型器件，承受电压和电流容量在所有器件中最高；电力二极管为不可控器件，结构和原理简单，工作可靠；还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其中GTO、GTR为电流驱动型器件，IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。
1.MCT（MOSControlledThyristor）：MOS控制晶闸管
MCT的等效电路图
MCT是一种新型MOS与双极复合型器件。如上图所示。MCT是将MOSFET的高阻抗、低驱动图MCT的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起，形成大功率、高压、快速全控型器件。实质上MCT是一个MOS门极控制的晶闸管。它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断，它由无数单胞并联而成。它与GTR，MOSFET，IGBT，GTO等器件相比，有如下优点：
（1）电压高、电流容量大，阻断电压已达3000V，峰值电流达1000A，最大可关断电流密度为6000kA/m2；
（2）通态压降小、损耗小，通态压降约为11V；
（3）极高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已达20kV/s，di/dt为2kA/s；
2.IGCT（IntergratedGateCommutatedThyristors）
IGCT是在晶闸管技术的基础上结合IGBT和GTO等技术开发的新型器件，适用于高压大容量变频系统中，是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。
IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器功率0.5~3MW，三电平逆变器1~6MW；若反向二极管分离，不与IGCT集成在一起，二电平逆变器功率可扩至4/5MW，三电平扩至9MW。
目前，IGCT已经商品化，ABB公司制造的IGCT产品的最高性能参数为4［1］5kV/4kA，最高研制水平为6kV/4kA。1998年，日本三菱公司也开发了直径为88mm的GCT的晶闸管IGCT损耗低、开关快速等优点保证了它能可靠、高效率地用于300kW~10MW变流器，而不需要串联和并联。
3.IEGT（InjecTIonEnhancedGateTransistor）电子注入增强栅晶体管
IEGT是耐压达4kV以上的IGBT系列电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点，以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性，使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。另外，通过模块封装方式还可提供众多派生产品，在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。日本东芝开发的IECT利用了电子注入增强效应，使之兼有IGBT和GTO两者的优点：低饱和压降，安全工作区（吸收回路容量仅为GTO的十分之一左右），低栅极驱动功率（比GTO低两个数量级）和较高的工作频率。器件采用平板压接式电机引出结构，可靠性高，性能已经达到4.5kV/1500A的水平。
4.IPEM（IntergratedPowerElactronicsModules）：集成电力电子模块
IPEM是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。它首先是将半导体器件MOSFET，IGBT或MCT与二极管的芯片封装在一起组成一个积木单元，然后将这些积木单元迭装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上，在它的下面依次是铜基板、氧化铍瓷片和散热片。在积木单元的上部，则通过表面贴装将控制电路、门极驱动、电流和温度传感器以及保护电路集成在一个薄绝缘层上。IPEM实现了电力电子技术的智能化和模块化，大大降低了电路接线电感、系统噪声和寄生振荡，提高了系统效率及可靠性
5.PEBB（PowerElectricBuildingBlock）：
典型的PEBB
电力电子积木PEBB（PowerElectricBuildingBlock）是在IPEM的基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。PEBB并不是一种特定的半导体器件，它是依照最优的电路结构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。典型的PEBB上图所示。虽然它看起来很像功率半导体模块，但PEBB除了包括功率半导体器件外，还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。PEBB有能量接口和通讯接口。通过这两种接口，几个PEBB可以组成电力电子系统。这些系统可以像小型的DC-DC转换器一样简单，也可以像大型的分布式电力系统那样复杂。一个系统中，PEBB的数量可以从一个到任意多个。多个PEBB模块一起工作可以完成电压转换、能量的储存和转换、阴抗匹配等系统级功能，PEBB最重要的特点就是其通用性。
6．超大功率晶闸管
晶闸管（SCR）自问世以来，其功率容量提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产8kV/4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV/4kA和6kV/6kA的光触发晶闸管（LTT）。美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在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的地位。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。
现在，许多生产商可提供额定开关功率36MVA（6kV/6kA）用的高压大电流GTO。传统GTO的典型的关断增量仅为3～5。GTO关断期间的不均匀性引起的“挤流效应”使其在关断期间dv/dt必须限制在500～1kV/μs。为此，人们不得不使用体积大、昂贵的吸收电路。另外它的门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。到目前为止，在高压（VBR》3.3kV）、大功率（0.5～20MVA）牵引、工业和电力逆变器中应用得最为普遍的是门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6in、6kV/6kA以及9kV/10kA。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很有可能开发出10kA/12kV的GTO，并有可能解决30多个高压GTO串联的技术，可望使电力电子技术在电力系统中的应用方面再上一个台阶。
7.脉冲功率闭合开关晶闸管
该器件独特的结构和工艺特点是：门-阴极周界很长并形成高度交织的结构，门极面积占芯片总面积的90%，而阴极面积仅占10%；基区空穴-电子寿命很长，门-阴极之间的水平距离小于一个扩散长度。上述两个结构特点确保了该器件在开通瞬间，阴极面积能得到100%的应用。此外，该器件的阴极电极采用较厚的金属层，可承受瞬时峰值电流。
8.新型GTO器件-集成门极换流晶闸管
9．高功率沟槽栅结构IGBT（TrenchIGBT）模块
当今高功率IGBT模块中的IGBT元胞通常多采用沟槽栅结构IGBT。与平面栅结构相比，沟槽栅结构通常采用1μm加工精度，从而大大提高了元胞密度。由于门极沟的存在，消除了平面栅结构器件中存在的相邻元胞之间形成的结型场效应晶体管效应，同时引入了一定的电子注入效应，使得导通电阻下降。为增加长基区厚度、提高器件耐压创造了条件。所以近几年来出现的高耐压大电流IGBT器件均采用这种结构。
10.电子注入增强栅晶体管IEGT（InjecTIonEnhancedGateTrangistor）
近年来，日本东芝公司开发了IEGT，与IGBT一样，它也分平面栅和沟槽栅两种结构，前者的产品即将问世，后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO两者的某些优点：低的饱和压降，宽的安全工作区（吸收回路容量仅为GTO的1/10左右），低的栅极驱动功率（比GTO低2个数量级）和较高的工作频率。加之该器件采用了平板压接式电极引出结构，可望有较高的可靠性。
与IGBT相比，IEGT结构的主要特点是栅极长度Lg较长，N长基区近栅极侧的横向电阻值较高，因此从集电极注入N长基区的空穴，不像在IGBT中那样，顺利地横向通过P区流入发射极，而是在该区域形成一层空穴积累层。为了保持该区域的电中性，发射极必须通过N沟道向N长基区注入大量的电子。这样就使N长基区发射极侧也形成了高浓度载流子积累，在N长基区中形成与GTO中类似的载流子分布，从而较好地解决了大电流、高耐压的矛盾。目前该器件已达到4.5kV/1kA的水平。
11.MOS门控晶闸管
12.砷化镓二极管
随着变换器开关频率的不断提高，对快恢复二极管的要求也随之提高。众所周知，具有比硅二极管优越的高频开关特性，但是由于工艺技术等方面的原因，砷化镓二极管的耐压较低，实际应用受到局限。为适应高压、高速、高效率和低EMI应用需要，高压砷化镓高频整流二极管已在Motorola公司研制成功。与硅快恢复二极管相比，这种新型二极管的显著特点是：反向漏电流随温度变化小、开关损耗低、反向恢复特性好。
13.碳化硅与碳化硅（SiC）功率器件
SiC可以用来制造射频和微波功率器件，各种高频整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。SiC高频功率器件已在Motorola公司研发成功，并应用于微波和射频装置。GE公司正在开发SiC功率器件和高温器件（包括用于喷气式引擎的传感器）。西屋公司已经制造出了在26GHz频率下工作的甚高频的MESFET。ABB公司正在研制高功率、高电压的SiC整流器和其他SiC低频功率器件，用于工业和电力系统。
防爆型变频器应该如何设计？
随着电力电子技术的不断发展，变频调速技术日益成熟，通用变频器得到了迅速发展，各种品牌的变频器在自控领域的各行各业都得到了广泛的应用。但在一些有爆炸性气体和粉尘比较多的地方（煤矿焦化厂部分化工厂）变频器还没有得到充分的应用，究其原因主要是这些地方的变频器需要防爆，而这种变频器现在市场上还未见成熟产品。根据上述情况，我们山东风光电子有限公司与大屯煤电（集团）有限公司联合开发研制成功了矿用防爆变频器，该产品已经过有关部门鉴定，现已在大屯煤矿正式投产使用。
二、变频器的技术要求
1、工作环境有爆炸性气体或粉尘较多的环境（防爆）；
2、输入电压交流660V±10%；
3、调速范围2—50HZ；
4、保护功能具有短路、过流、过压、欠压、超温、停电闭锁等功能；
5、工作方式24小时连续工作制；
6、其他技术指标与通用变频器相同。
三、变频器的控制原理
1、主回路部分
变频器主回路包括空气断路器、三相整流器、滤波电容、IGBT逆变器
图1：主回路电气原理框图
2、控制回路部分
变频器控制部分包括CPU控制器、IGBT驱动电路、电流检测电路、电压检测电路、保护电路、操作显示电路。其控制原理框图如下：
图2：控制原理框图
3、变频器所用主要元件都是选用世界知名公司生产的名牌产品，性能优良，质量可靠。
（1）逆变器部分选用德国西门子公司的IGBT模块，该模块饱和压将低，母线电感小，开关频率高，结构简单，安装方便。
（2）CPU控制器选用美国Intel公司的87C196MC单片机，该芯片功能齐全，运算速度快，是一种高性能的CHMOS16位单片机，它功耗小，除正常工作外还可以工作于2种节电方式：待机方式和掉电方式。它内部有一个波形发生器，可以输出2组互补的3相PWM信号，特别使用于电机控制系统。
（3）驱动电路采用日本三菱公司的M57959L专用驱动模块，该模块驱动功率大，信号隔离强，集成化程度高，性能优良，使用方便。
四、防爆变频器研制中的问题和对策
1、防爆问题
由于该变频器所使用的环境有爆炸性气体或粉尘较多，这就要求变频器密封防爆，所以它的外壳不能用普通的壳体，必需用标准的防爆腔，把变频器所有的元件都装在防爆腔内。在防爆腔门上开一个观察窗，把显示部分装在上面，把启动、停止、调速控制装在防爆腔门上。
2、散热问题
由于变频器的所有元件都装在防爆腔内，空气不能流动，散热问题成为该变频器所要解决的关键问题。在这里我们采用了一种新的散热技术-热管散热技术。
（1）热管技术原理
热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管内工质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点。由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。
（2）变频器结构布置
我们将主回路设计成一个大单元，安装在长方形防爆腔内后壁，后壁上通过一个过度散热器与IGBT模块、整流模块等发热元件接合，防爆外壳外壁加焊槽形散热器，过度散热器与槽形散热器通过热管相连接。变频器内部产生的热量就通过防爆腔后壁过度散热器热管槽形散热器散发出去。
3、主回路结构与通用变频器的不同
（1）没有延时回路
避免因延时继电器动作时产生电火花造成的不安全因素，增加了变频器的安全可靠性。
（2）整流器容量选择比通用变频器增大一倍
目的是为了耐受住变频器开机瞬间电容充电电流的冲击。
（3）滤波电容选用多只无感电容并联
电解电容体积大，高温环境下易爆炸，不安全；而无感电容体积小，耐高温、高压，在这种环境下应用非常安全。
五、结束语
防爆变频器研制成功，填补了变频器应用行业的一项空白。当然，我们还将在结构、工艺、功能等方面进一步完善，把防爆变频器做的更完美，更可靠，更齐全。相信不远的将来防爆变频器在自动化领域内会有一个灿烂的天空