现代电力电子器件的发展与现状.doc

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1、现代电力电子器件的发展与现状解放军信息工程大学 李现兵 师宇杰 王广州 黄娟电力电子器件的回顾电力电子器件又称作开关器件，相当于信号电路中的 A/D 采样，称之为功率采样，器件的工作过程就是能 量过渡过程，其可靠性决定了系统的可靠性。根据可控程度可以把电力电子器件分成两类：半控型器件 第一代电力电子器件上个世纪 50 年代，美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电子技术的开端。此后，晶闸管(SCR) 的派生器件越来越多，到了 70 年代，已经派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对 称晶闸管等半控型器件，功率越来越大，性能日益完善。但是由于晶闸管本身工作频率较低(一般低于400

2、Hz )，大大限制了它的应用。此外，关断这些器件，需要强迫换相电路，使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。目前，国内生产的电力电子器件仍以晶闸管为主。全控型器件 第二代电力电子器件随着关键技术的突破以及需求的发展， 早期的小功率、 低频、 半控型器件发展到了现在的超大功率、 高频、 全控型器件。由于全控型器件可以控制开通和关断，大大提高了开关控制的灵活性。自 70 年代后期以来，可关断晶闸管 (GTO) 、电力晶体管 (GTR 或 BJT) 及其模块相继实用化。 此后各种高频全控型器件不断问世，并得到迅速发展。 这些器件主要有电力场控晶体管 (即功率 MOSFET) 、绝缘栅极双极晶体管

3、(IGT 或 IGBT) 、 静电感应晶体管 (SIT) 和静电感应晶闸管 (SITH) 等。电力电子器件的最新发展现代电力电子器件仍然在向大功率、易驱动和高频化方向发展。电力电子模块化是其向高功率密度发展的 重要一步。当前电力电子器件的主要发展成果如下：IGBT：绝缘栅双极晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 是一种 N 沟道增强型场控 (电压 )复合器件，如图 1 所示。它属于 少子器件类，兼有功率 MOSFET 和双极性器件的优点：输入阻抗高、开关速度快、安全工作区宽、饱和压降低(甚至接近 GTR 的饱和压降)、耐压高、电流大。 IGBT

4、有望用于直流电压为 1500V 的高压变流 系统中。目前，已研制出的高功率沟槽栅结构 IGBT(Trench IGBT) 是高耐压大电流 IGBT 器件通常采用的结构，它 避免了模块内部大量的电极引线，减小了引线电感，提高了可靠性。其缺点是芯片面积利用率下降。这种平板压接结构的高压大电流 IGBT 模块将在高压、大功率变流器中获得广泛应用。正式商用的高压大电流 IGBT 器件至今尚未出现，其电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求，特别是在高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到 10KV 以上。目前只能通过 IGBT 高压串联等技术来实现高压应用。 国外的一些厂家如

5、瑞士 ABB 公司采用软穿通原则研制出了 8KV 的 IGBT 器件，德国的 EUPEC 生产的 6500V/600A 高压大功率 IGBT 器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。MCT：MOS 控制晶闸管MCT(MOS-Controlled Thyristor) 是一种新型 MOS 与双极复合型器件， 如图 2 所示。它采用集成电路工艺， 在普通晶闸管结构中制作大量 MOS 器件，通过 MOS 器件的通断来控制晶闸管的导通与关断。 MCT 既具 有晶闸管良好的关断和导通特性，又具备 MOS 场效应管输入阻抗高、驱动功率低和开关速度快的优点，克服了晶闸管速度慢、不能自关断和高压 MOS

6、 场效应管导通压降大的不足。所以 MCT 被认为是很有发展前途的新型功率器件。 MCT 器件的最大可关断电流已达到 300A ，最高阻断电压为 3KV ，可关断电流密 度为 325A/cm2 ，且已试制出由 12 个 MCT 并联组成的模块。在应用方面，美国西屋公司采用 MCT 开发的 10kW 高频串并联谐振 DC-DC 变流器，功率密度已达到6.1W/cm3 。美国正计划采用 MCT 组成功率变流设备，建设高达 500KV 的高压直流输电 HVDC 设备。国 内的东南大学采用 SDB 键合特殊工艺在实验室制成了 100mA/100V MCT 样品;西安电力电子技术研究所利用国外进口厚外延硅

7、片也试制出了 9A/300V MCT 样品。IGCT：集成门极换流晶闸管IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors) 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 使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。 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 具有电流大、电压高、开关频率

8、高、 可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。采用晶闸管技术的 GTO 是常用的大功率开关器件，它相对于采用晶体管技术的 IGBT 在截止电压上有更高的性能，但广泛应用的标准 GTO 驱动技术造成不均匀的开通和关断过程，需要高成本的 dv/dt 和 di/dt 吸收电路和较大功率的门极驱动单元，因而造成可靠性下降，价格较高，也不利于串联。但是，在大功率MCT 技术尚未成熟以前， IGCT 已经成为高压大功率低频交流器的优选方案。在国外，瑞典的 ABB 公司已经推出比较成熟的高压大容量 IGCT 产品。在国内，由于价格等因素，目前 只有包括清华大学在内的少数几

9、家科研机构在自己开发的电力电子装置中应用了 IGCT 。IEGT：电子注入增强栅晶体管IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor) 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 I

10、ECT 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，宽安全工作区 (吸收回路容量仅为 GTO 的 1/10 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，如图 3 所示。器件采用平板压接式电极引出结构，可靠性高，性能已经达到 4.5KV/1500A 的水平。IPEM：集成电力电子模块IPEM(Intergrated Power Elactronics Modules) 是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。 它首先将 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

11、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，如图 4 所示。 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。PEBB ：电力电子积木PEBB(Power Electric Building Block) 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 PEB

12、B 如图 5 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 从一个到任何多个。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。基于新型材料的电力电子器件SiC(碳化硅)是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，可制作出性能更

13、加优异的高温 (300 500 )、 高频、高功率、高速度、抗辐射器件。 SiC 高功率、高压器件对于公电输运和电动汽车等设备的节能具有重要意义。 Silicon (硅)基器件在今后的发展空间已经相对窄小，目前研究的方向是 SiC 等下一代半导体 材料。采用 SiC 的新器件将在今后 510 年内出现， 并将对半导体材料产生革命性的影响。 用这种材料制 成的功率器件，性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级。碳化硅与其他半导体材料相比，具有下列优异的物理特点 : 高禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿强度、低介电常数和高热导率。上述这些优异的物理特性 ,决定了碳化硅在高温、 高频率、 高功率的应用

14、场合是极为理想的材料。 在同样的耐压和电流条件下， SiC 器件的漂移区电阻要比硅低 200 倍，即使高耐压的 SiC 场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件低得多。而且， SiC 器件的开关时间可达 10ns 级。SiC 可以用来制造射频和微波功率器件、高频整流器、 MESFET 、MOSFET 和 JFET 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;美国通用电气公司正在开发 SiC 功率器件和 高温器件; 西屋公司已经制造出了在 26GHz 频率下工作的甚高频 MESFET ;ABB 公司正在研制用于工业 和电力系统的高压、大功率 SiC 整流器和其他 SiC 低频功率器件。理论分析表明， SiC 功率器件非常接近 于理想的功率器件。 SiC 器件的研发将成为未来的一个主要趋势。但在 SiC 材料和功率器件的机理、理论和制造工艺等方面，还有大量问题有待解决， SiC 要真正引领电力电子技术领域的又一次革命，估计至少还要十几年的时间。小 结电力电子器件正进入以新型器件为主的新时代，作为电力电子技术发展的决定性因素，电力电子器件的研 发及关键技术突破，必然会促进电力电子技术的迅速发展，进而促进以电力电子技术为基础的传统工业和 高新技术产业的迅速发展。本文摘自世界电子元器件