摘要：阐述了电力‘子学科最近几年出现的新内容？以及因MOS型器件发展所引发的几个新的电 力电子技术领域。这些新技术领域为拓宽我们的业务范围提供了难得的机遇和挑战。结论是不论我们是 否面对这个事实，这些最新发展的电力电子技术领域都一直活跃在我们的周围。

　　Abstract： The new implication of power electronics arised in recent years and some new power electronic domains induced by development of MOS devices are described, which gives us rare opportunity and challenge to expend our vocational ranges. It comes to the conclusion that the new developed electronic domains have been activating around us,whether we are faced with them or not.

　　Keywords ： power electronics ；MOSFET/IGBT

　　叙词：电力电子技术场效应晶体管/绝缘栅双极型晶体管

　　电力电子学在70年代中期以一个独立学 科出现的时候，它的内容主要是以四层pnpn器 件为主体的应用。整个工业不仅为晶闸管取代 水银整流器而引以自豪，而且为蓬勃发展的逆 变用自关断器件带来的前景所鼓舞。当时整个 功率半导体器件采用的仅仅是双极型技术，不 仅在逆变时频率有所限制，而且与集成电路直 接接口还无法实现。1979年纵向功率MOS场 效应晶体管进入市场及其后IGBT的出现，给 电力电子技术注入了新的活力，使当今电力电 子技术的应用范围拓宽到难以置信的程度，因 而原有的电力电子学概念也需赋予新的内容。

　　1电力电子学的新概念

　　1.1电力电子学诞生以后，人们常把相对应的 半导体学科分为两个分支：一个是半导体学科 的主体，即以集成电路为核心的微电子学；另一 个则是以大功率半导体器件为代表的电力电子 学。前者的功率越来越小，后者的功率越来越 大。电力电子技术不仅是节能的主角，同时还为 传统工业的改造，提供了机电一体化的方向。这 些至今来看，也还是正确的。

　　自从MOS型功率半导体器件大量涌入市 场以后，电力电子技术的面貌有了根本的变化， 这主要表现为：

　　场效应晶体管作为一种多子器件，其频 率大为提高。除因高频扩大了应用范围外，在缩 小整机体积方面更有特殊的功能，这对中小功 率的各种应用尤为重要。因此把电力电子技术 看作主要是用于工业控制的概念需要补充。

　　场效应晶体管是一种电压控制型器件， 控制功率很小，因此可用一些专用的集成电路 进行控制，甚至可以把主器件和控制、自保护电 路制作在一个芯片或器件中。这更使其适用于 -些中小功率的应用，甚至功率小到过去根本 不列入功率应用的范围内。例如目前最小的 MOSFET采用Micr〇3的塑封包装，其塑封部 分的面积仅约3mmz左右。通过的电流近1A。

　　非常有意义的是：新一代的场效应晶体 管不仅是一种快速开关器件，而且在一定的条 件下，它还是一种最佳的整流管。其通态电阻不 仅比pn结的正向好，甚至比过去认为正向电阻 最低的肖特基二极管还表现的出色。以上这些 优点，使场效应晶体管在采用电池的Portable Electronics--便携式电器中大放光芒。当然， 这些应用中器件功率本身是十分小的。

　　上述种种应用，尽管功率可能很小，其主 要功能仍然是进行了 AC-DC、DC-AC、DC-DC 等的功率或频率变换，所以理所当然也属于电 力电子技术范畴之内。传统的电力电子学界，十 分热衷于IGBT，这是因为对IGBT的功率和应 用范围颇为熟悉。其实MOS场效应晶体管和 IGBT只是一个pn结的区别而已？ MOS场效 应晶体管一般来说，使用时甚至更容易掌握。 MOS场效应晶体管也可用于较大功率，如大电 流的MOSFET模块。

　　在功率变换加上引入上述概念之后，确实 使传统的电力电子学概念发生了困扰。当初我 们用“电力电子学”一词来代表Power Electronics时，是受到原有晶阐管那种服务于 大功率系统的影响。当初我们也想过以“功率电 子学”来表达Power Electronics，但最后还是被I 统一在电力电子学之中。当然名称本身并不是 一个问题，关键是如何去理解电力电子学的基 本概念。

　　作者之一在1979年时，为了筹建全国的电 力电子学会，曾经写过一篇“略论电力电子学” 的文章[1]。所引入Newell的倒三角定义一直为 国内所引用。但最近在美国大学中，包括美国的 IEEE电力电子学会的文件中，都很通俗地介绍 了电力电子是一种无所不在的技术。的确，当你 开车，乘电梯，使用计算机，打开空调，用微波炉 做饭，从冰箱中取出冷饮，打电话或是使用大哥 大，听音乐，看电视，用轻巧的手电钻打个洞，你 都在与电力电于技术打交道。因此，我们必须扩 大我们原来对电力电子技术的理解，扩大电力 电子学在国民经济中的视野。

　　我们认为电力电子学是一种如何应卑半导 体器件进行功率变换的学科。或者说是一种通 过半导体把“粗电”精炼成“精电”的技术。电能 在使用时，能符合整机所需的最佳频率，尽可能 省下最多的电能。在用于大系统时，自动控制理 论和实践起着关键性的作用，正像倒三角图形 中所表现的那样出色，在用于小功率的日用电 器中时，同样身手不凡，因此，如何使用最廉价 的电路和发展最精炼的器件就成为头等重要的 事情。从根本上来说，不管功率大小，电路简繁， 本质上都是利用半导体整流或开关器件进行功 率变换（许多控制用的集成电路也已踊跃地参 加进来）的。它们都属于电力电子学的范畴。如 果我们长期忽视电力电子技术的这一新趋势， 把电力电子学仅局限在一门处理大功率的电子 学中，那么它就会失去应有的活力，或许有另一 门新的学科骤然兴起，将囊括这些新的技术来 充实自己。因此，我们希望中国电力电子行业 （设备制造和器件制造）的同仁们能进一步开拓 思路，采用更新的技术，面向更广泛的用户，创 造更多的业务发展机会，并取得与世界的发展 同步。扩大电力电子技术应用是要使其更为普 及化。我们认为应该扩大人们原来对电力电子 技术的理解，大大拓宽我们的业务范围，让更多‘ 不同的专业人士前来参加我们的队伍。这正是 我们电力电子学界当前应该注意的问题。　2电力电子技术的新领域

　　我们还清楚地记得，70年代电力电子技术 的三大支柱是电化学、牵引、直流传动，而80年 代交流传动、直流输电和无功补偿已成了热门 话题。在这里，我们要重点介绍因MOS型器件 发展而丰富了的电力电子技术新领域。

　　大家都熟悉晶体管，很多人用过双极型达 林顿晶体管来做变频器。但过去我们在提到功 率半导体器件时，却很少提到晶体管。可是目前 电力电子技术中最热门的新器件恰恰是功率 MOS型晶体管，如功率MOSFET、绝缘栅双极 型晶体管IGBT等等，它们都属于晶体管。上述 功率MOS型器件，再加上各种双极型晶体管， 占有了功率半导体器件中66%的市场。值得注 意的是：目前仅仅功率MOSFET -项的产值 已超过了晶闸管和整流元件的总和。功率 MOSFET和IGBT市场的总和也已占整个晶 体管市场的59%。2000年时将达90%。功率 MOS器件市场的年增长率近7年来平均达 35%，比迅速发展的集成电路市场（22%）还快 得多。电力电子学是一门迅速发展的新学科，如 果我们现在就把自己限定在只应用原有的晶闸 管整流器的范围内，即只使用功率半导体器件 中的27%，确实是不合理的。即使加上IGBT， 我们还是忽略了 65%的功率半导体器件。我们 必须面向整个的功率半导体器件，这才是我们 应该关注的。

　　正因为MOS器件的发展，因而使电力电 子市场的*盖范围有了根本的变化。从1994年 的数据来看，功率晶体管的主要应用大致有以 下五个方面：

　　工业控制27%

　　日用电器24%

　　通 信-17%

　　计算机及各种用电池的小型电器16%

　　汽车电子12%

　　功率器件之所以能长期维持髙增长率，其 应用均匀分布于各个方面是一个重要原因。因 此不会因某一市场的萎缩而影响其整体发展。 何况，上述五个方面又都是最吸引人的方向。这 就使世界的电力电子市场一直蓬勃发展。中国 电力电子的发展，决不能忽略那些思[活跃的方 向。

　　下面再进一步介绍有关应用，使大家对当 前的新动向有更多的了解。

　　（1）电机调速

　　据报道目前世界上约有超过100亿个大小 的马达正在运转，有30%的能量消耗在电机 中。约有15?20%的中小电机已采用电子控 制，使用了约33%的晶体管。过去我们往往着 眼于大的工业用电机调速，那是因为对小电机 进行交流调速，在经济上是不现实的。如今我们 可以把一个1马力的三相交流调速的主要部 件，灵巧地装在像信用卡一样大小的线路板上， 这样我们就面对着每年1. 6亿个调速电机的市 场（2000年）。以566L（20ft3）的电冰箱为例，用 了电力电子等有关技术，每年可省电70美元。 电机调速方面的功率器件市场估计2000年为 33亿美元。目前中国正处于一个新的空调热， 就这一项其市场就够可观的了。

　　1996年2月，美国PCIM杂志刊登了一种 称为POWIRTRAIN的调速部件用以替代模 块。全部采用表面贴装的I力率半导体器件，包括 输入整流器中的晶闸管，逆变用IGBT与快恢 复二极管FRED，或功率MOSFET及肖特基二 极管等等。其功率可超过l〇kW，线路板大小约 相当于手掌。也可作为UPS和焊机的应用。

　　（2）节能灯

　　现有技术已把振荡用的两个功率MOS- FET和控制1C做在一个塑料封装内，可使线 路进一步简化。美国几乎有一半电力消耗在照 明和电机方面，所以对照明节能是十分重视的。 据估计每个节能灯管每年可节电30?70美元， 在这方面晶体管的市场也有6亿美元（2000 年）。

　　双极型晶体管的世界市场正在萎缩，但在 中国因节能灯的需要，其市场却在飞快发展。近 年来，在激烈的世界市场竞争中，功率MOSS 器件的价格有可能下降，这样双极型晶体管又 要面临功率MOS场效应晶体管的竞争。

　　（3）便携式电器

　　上面已经提到：新一代MOS器件有一种更 新的优点，即极低的正向阻抗。它可使供给这些 电池的寿命增加1?4倍。从而引出了一个全新 的电力电子技术领域--便携式电器（Portable Electronics）。所谓便携式，也即是可随身携带， 并可随时随地工作的电器。在现代生活中，人们 的工作活动已不仅仅限于在办公室里，在旅游 中、家里、野外等各种空间和时间都可能进行工 作、通信、娱乐。这些电器包括有：

　　膝上式或笔记本计算机、移动电话、可拆卸 的硬盘驱动器、个人数字辅助系统（PDAS）、 DC-DC变流器、电池充电、电池反向保护、 PCMCIA卡、掌上型游戏机、掌上型无线电通 信、便携式音/视频设备、CD唱机、调制器、可充 电剃须刀、电动牙刷、掌上型万用表、掌上式测 试设备等等。

　　2000年时大约有4亿个这类产品需要用 到MOSFET等器件。例如用于CD唱机中，电 池寿命可提高3倍。一个手提计算机中，要用8 ?10个功率器件。每个大哥大中，要用1?2个 MOS器件。这方面MOSFET的市场约为15亿美元。

　　（4）汽车电子

　　现代的汽车中，由于要求改善发动机性能， 要求更为安全和舒适，有许多部分都要用到半 导体器件。如发动机控制单元：包括燃油注入控 制、点火控制、变速器等等。舒适用部件：包括动 力驾驶盘、动力窗、动力门锁、照明控制、空调、 音响等等。安全用：防锁闸、牵引控制、空气袋、 电动车锁。其中防锁闸是为防止突然刹车时汽 车打弯；空气袋在撞车时作保护用；电动车锁供 防盗用。此外为了增加可靠性，要进一步减少车 内的引线和结点，这就要求半导体器件尽量组 合化和智能化。如对SMARTFET的要求等等。

　　2000年时每年大约生产5千万辆汽车，每 辆汽车中的功率器件，可达200个之多。因而那 时的功率器件的市场约为22亿美元左右。我国 现在大概约近1〇〇人才拥有一辆汽车，即使大 量生产汽车，在相当长一段时间内，其普及率仍 不会很高。这也说明中国汽车电子市场的潜力 之大及其持久性。

　　（5）开关电源

　　由于中国的人口众多，地域广阔。因而中国 的通信市场潜力也是世界上最大的。全世界的 主要通信设备制造公司蜂拥进入中国。通信电 源是功率半导体的主要市场之一。不仅是整流 电源，在DC-DC电源中，MOS器件尤其起关键作用。

　　可以说，功率MOSFET是开关电源的第一 用语，当然开关电源不仅用于通信电源，也包括 用于计算机主机、工业、仪表、医药等等。目前 DC-DC电源中的热点是板上式功率模块 （BOARD MOUNTED POWER），在 BMP 中， 从DC到AC需要表面貼装的MOSFET或是 MOSFET芯片，然后还需若干个使用 MOSFET的调制器。由于开关电源目前有低输 出电压的趋势，新一代的MOSFET就更为适用。

　　以上一些应用加上其它方面的应用，到 2000年时功率器件的市场约为127亿美元。那 时占主导的将是MOS器件，所以尽快推广其 应用，是加快我国电力电子企业发展的关键。

　　3电力半导体器件的新发展

　　我们可以把电力半导体器件分成四大类， 这是根据功率变换功能来划分的。通常我们总 是先把交流电整流为直流（1），然后又在一定的 控制下（2），把直流逆变成所需频率的交流电或 脉动电（3），在某些场合下，还需要将它再转换 成直流（4）。下面用一简图作一说明。

　　（1）输入

　　第一部分的整流，大家都很熟悉。由于中小 功率装置的蓬勃发展，整流元件（包括晶闸管） 有塑封化，表面贴装化和桥式化的趋势。其原因

　　路（CIC）。这主要是用来触发逆变工作的功率 MOSFET或IGBT。由于和主回路在一起，所 以需耐受高压，又称髙压集成电路（HVIC）或 功率集成电路（PIC）。CIC通常按不同应用有积，增加了可靠性。上一节介绍的三相逆变器， 若没有相应的CIC，体积不可能做得如此之小。

　　就功率集成电路而言，还包括另一种元件 称为SM ARTFET，即是带智能的MOSFET，这 种元件在汽车电子中颇为重要。SMARTFET 和CIC不同，它不是一种触发元件，而是一种 带自保护功能的MOSFET。它也是一个单片集 成电路。

　　另一种微电子集成电路，称为微电子继电 器 Micro Electronic Relay（MER）。MER 实质 上是固态继电器（SSR）的发展，是把固态继电 器的功能尽可能以单片芯片来完成。它通常包 括一个光电耦合器，一些控制电路和作为主部 件的MOSFET或者晶阐管。采用晶闸管作为 主部件的称为单片开关Chipswitch。采用 MOSFET作为主部件的称为光继电器Photo Voltaic Relay（PVR）。由于PVR可利用第五代 的MOSFET工艺，因而其通态电阻可做得比 舌簧开关还小，它们在通信、便携式电器中找到 了越来越多的应用。　（3）开关

　　第三部分分成两部分，主体是功率 MOSFET或IGBT，但常需续流二极管同时工 作。这种二极管速度快，而且恢复特性软，以免 因寄生电感引起高压而损坏主器件。快恢复二 极管通常用外延片做，故称FRED（快恢复外延 二极管）。有时也用肖特基二极管和功率 MOSFET搭配，因为肖特基二极管的正向好， 而且由于肖特基二极管是金属半导体结，所以 理论上不存在少数载流子的恢复时间。但肖特 基二极管在反向时，往往漏电流很大，耐不住高 压。

　　为应用的需要，一种新型的耐 髙反压的快恢复外延二极管应运而生。它是在 肖特基二极管的基础上，加上密集的pn结小 原胞，在正向时，它有肖特基二极管的低压降特 性，而反向时，pn结空间电荷层展开，耐受住了 髙压。它的恢复特性快而且也很软。这种元件 在IR公司被称为HEXFRED，因为它的原胞 有六边形（HEX）结构，因而得名。值得注意的 是：所有这些快恢复二极管，其产值已近晶闸管 及整流元件的三分之一。这也是因为和大量 MOS器件配套的结果。

　　现在再回过来讨论功率MOSFET和 IGBT，它们有一共同趋势是增加原胞的密度， 以增加所有原胞总周界长度。因为MOS型器 件是通过原胞的周界输送电流的。周界越长，其 通态电阻越小。从制造工艺来说，也就是精密度 增加。新一代的MOS器件，与超大规模集成电 路的工艺已经很少区别。下表给出了 MOSFET 的通态电阻和原胞密度的关系。上节介绍新一 代MOS器件的优点也即来源于此。

　　功率MOSFET第1?第5代产品的发展过程参数第1代 （1979 年）第2代 （1984 年）第3代 （1992 年）第4代 （1993 年）第5代 （1995 年）

　　通态电阻（mft/cm2）121.43.22.21.2

　　封装密度（百万原胞/cm2）0.07750.13950, 18600. 52701. 0850

　　对IGBT而言，由于它比MOSFET多一个 IGBT也有一种叫智能功率模块（IPM）的，它使pn结，因而本质上是个双极型晶体管。当然，我 们也可以使它更接近于MOSFET而较少少数 载流子的堆积。同时也常用减少少子寿命的办 法来加快IGBT的工作速度，但少子寿命的降 低也会影响正向压降。

　　就像 MOSFET 有 SMARTFET一样，IGBT带有自保护功能，甚至把CIC也装在里边，但它不是单片器件，而是模块。在中小功率 应用时，也可以发展其它封装型式来代替模块。 美国IR公司发展的COPACK，就是把IGBT 与HEXFRED塑封在一起，成本还比模块便 （C）'（d）

　　图7实验波形 （a）斩波器输出电压C/c4的波形 〇>）逆变器输出电压滤波前、后波形 （C）输出额定负载时滤波电感电流波形 （d）输出短路时滤波电感电流波形

　　8结论

　　本文阐述了软开关航空静止变流器电路拓 扑的工作原理，并进行了理论分析、计算机仿真 及实验验证，仿真与实验结果相符合。研制的工 程样机性能优良。实践证明，该电路拓扑适用于髙性能航空静止变流器。

　　⑷输出

　　第四部分又是整流元件，但它们一般是低 压的，而且要求速度快。肖特基二极管是最常用 的一种。前面已经说过，新一代的MOSFET具 有最佳的通态电阻。所以也可被应用。肖特基二 极管和MOSFET都可以做成模块，供大电流 使用。一种新的组合器件FETKY是把肖特基 二极管和MOSFET组合在SO-8的包装内 （4mm X 5mm，8脚）。它可用于降压调节器中， 把DC12V降为5V或3. 3V。也可用于同步整流 器中，电流可达6. 4A。

　　以上各节都仅作了简要介绍，如果展开，可以分成许多专题来介绍，希望以后会有这个机会。

　　4结束语

　　M0S型器件带来了电力电子技术崭新的 领域，很多应用比过去电力电子技术范畴更为 广泛，其功率和频率的覆盖面也更为宽广。这些 进一步为电力电子学增添了新的思路和概念。 我们必须迎接这个事实，把它们和传统的电力 电子学结合起来，使我国的电力电子事业有一个更大的发展。

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