新型电力电子器件介绍资料学习教案.pptx

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1、会计学1新型电力新型电力(dinl)电子器件介绍资料电子器件介绍资料第一页，共19页。电力电子器件电力电子器件电力电子器件电力电子器件(din z(din z q jin)q jin)的回顾的回顾的回顾的回顾n n电力电子器件又称作开关器件，相当于信号电路中的电力电子器件又称作开关器件，相当于信号电路中的A/DA/D采样，称之为功率采样，器件的工作过程就是能量过采样，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：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：n n半控型器件半控型器件第一代电力电

2、子器件第一代电力电子器件n n上个世纪上个世纪5050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)(SCR)的派生器件越来越多，到了的派生器件越来越多，到了7070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400Hz40

3、0Hz），大大限制了），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，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。国内生产的电力电子器件仍以晶闸管为主。n n全控型器件全控型器件第二代电力电子器件第二代电力电子器件n n随着随着(su zhe)(su zhe)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、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

4、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7070年代后期以来，年代后期以来，可关断晶闸管可关断晶闸管(GTO)(GTO)、电力晶体管、电力晶体管(GTR(GTR或或BJT)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迅速发展。这些器件主要有电力场控晶体管(即功率即功率MOSFET)MOSFET)、绝缘栅极双极晶体管、绝缘栅极双极晶体管(IGT(IGT或或IGBT)IGBT)、静

5、电感应晶、静电感应晶体管体管(SIT)(SIT)和静电感应晶闸管和静电感应晶闸管(SITH)(SITH)等。等。第1页/共19页第二页，共19页。电力(dinl)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(zhngyo)一步。当前电力电子器件的主要发展成果如下：IGBT：绝缘(juyun)栅双极晶体管MCT：MOS控制晶闸管IGCT：集成门极换流晶闸管IEGT：电子注入增强栅晶体管IPEM：集成电力电子模块PEBB：电力电子积木第2页/共19页第三页，共19页。第3页/共19页第四页，共19页。IGBT：绝缘：绝缘(juy

6、un)栅双极晶栅双极晶体管体管n nIGBT(Insulated Gate Bipolar IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)Transistor)是一种是一种NN沟道增强型场沟道增强型场控控(电压电压)复合复合(fh)(fh)器件，如图器件，如图1 1所示。它属于少子器件类，兼有所示。它属于少子器件类，兼有功率功率MOSFETMOSFET和双极性器件的优和双极性器件的优点：输入阻抗高、开关速度快、点：输入阻抗高、开关速度快、安全工作区宽、饱和压降低（甚安全工作区宽、饱和压降低（甚至接近至接近GTRGTR的饱和压降）、耐压的饱和压降）、耐压高、电流大

7、。高、电流大。IGBTIGBT有望用于直有望用于直流电压为流电压为1500V1500V的高压变流系统的高压变流系统中。中。第4页/共19页第五页，共19页。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。目前，已研制出的高功率沟槽栅结构IG

8、BT(Trench IGBT)是高耐压大电流IGBT器件通常(tngchng)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。第5页/共19页第六页，共19页。第6页/共19页第七页，共19页。MCT：MOS控制控制(kngzh)晶闸晶闸管管 n nMCT(MOS-Controlled Thyristor)MCT(MOS-Controlled Thyristor)是一种是一种新型新型MOSMOS与双极复合型器件，如图与双极复合型器件，如图2 2所示。它采用集成电路

9、工艺，在普通所示。它采用集成电路工艺，在普通晶闸管结构中制作大量晶闸管结构中制作大量MOSMOS器件，通器件，通过过MOSMOS器件的通断来控制晶闸管的导器件的通断来控制晶闸管的导通与关断。通与关断。MCTMCT既具有晶闸管良好的既具有晶闸管良好的关断和导通特性，又具备关断和导通特性，又具备MOSMOS场效应场效应管输入阻抗高、驱动功率低和开关速管输入阻抗高、驱动功率低和开关速度快的优点，克服了晶闸管速度慢、度快的优点，克服了晶闸管速度慢、不能自关断和高压不能自关断和高压MOSMOS场效应管导通场效应管导通压降大的不足。所以压降大的不足。所以MCTMCT被认为是很被认为是很有发展前途的新型功率

10、器件。有发展前途的新型功率器件。MCTMCT器器件的最大可关断电流已达到件的最大可关断电流已达到300A300A，最，最高阻断电压为高阻断电压为3KV3KV，可关断电流密度，可关断电流密度为为325A/cm2325A/cm2，且已试制出由，且已试制出由1212个个MCTMCT并联组成并联组成(z(z chn chn)的模块。的模块。第7页/共19页第八页，共19页。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(jinsh)高达500KV的高压直流输电HVDC设备。国内的东南大学采用SD

11、B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片也试制出了9A/300V MCT 样品。第8页/共19页第九页，共19页。第9页/共19页第十页，共19页。IGCT：集成：集成(j chn)门极换流门极换流晶闸管晶闸管n n在国外，瑞典的在国外，瑞典的ABBABB公司已经推出比较成熟的高压大容量公司已经推出比较成熟的高压大容量IGCTIGCT产品。在国内，由于价格等因素，目产品。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家科研机构在自己开发的电力前只有包括清华大学在内的少数几家科研机构在自己开发的电力(dinl)(dinl

12、)电子装置中应用了电子装置中应用了IGCTIGCT。n nIGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是一种用于巨型电力是一种用于巨型电力(dinl)(dinl)电子成套装置中的新型电电子成套装置中的新型电力力(dinl)(dinl)半导体器件。半导体器件。IGCTIGCT使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积使变流装置在功率、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，给电力等方面都取得了巨大进展，给电力(dinl)(di

13、nl)电子成套装置带来了新的飞跃。电子成套装置带来了新的飞跃。IGCTIGCT是将是将GTOGTO芯片与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。体管的特性。IGCTIGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点，而具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性

14、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。且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。n n采用晶闸管技术的采用晶闸管技术的GTOGTO是常用的大功率开关器件，它相对于采用晶体管技术的是常用的大功率开关器件，它相对于采用晶体管技术的IGBTIGBT在截止电压上在截止电压上有更高的性能，但广泛应用的标准有更高的性能，但广泛应用的标准GTOGTO驱动技术造成不均匀的开通和关断过程，需要高成本的驱动技术造成不均匀的开通和关断过程，需要高成本的dv/dtdv/dt和和di/dtdi/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。吸收电路和较大

15、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，在大功率但是，在大功率MCTMCT技术尚未成熟以前，技术尚未成熟以前，IGCTIGCT已经成为高压大功率低频交流器的优选方案。已经成为高压大功率低频交流器的优选方案。第10页/共19页第十一页，共19页。IEGT：电子：电子(dinz)注入增强栅注入增强栅晶体管晶体管n nIEGT(Injection Enhanced Gate IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)Transistor)是耐压达是耐压达4KV4KV以上的以上的IGBTIGBT系系列电力电子器件，通过采取增强注入列电

16、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。电力电子器件取得了飞跃性的发展。IEGTIEGT具有作为具有作为MOSMOS系列电力电子器系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高件的潜在发展前景，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，使其在进一步并联而自均流的特性，使其在进一步扩大电流扩大电流(dinli)(dinli)容量方面颇具潜力。容量方面颇具潜力。另外，通过模块封装方式还可提供众另外

17、，通过模块封装方式还可提供众多派生产品，在大、中容量变换器应多派生产品，在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。用中被寄予厚望。第11页/共19页第十二页，共19页。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，宽安全(nqun)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。第12页/共19页第十三页，共19页。IPEM：集成电力：集成电力(dinl)电子模电子模块块 n nIPEM(Inter

18、grated Power Elactronics Modules)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体器件MOSFETMOSFET、IGBTIGBT或或MCTMCT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开孔的高电导率的绝缘(juyun)(juyun)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

19、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(juyun)(juyun)层上，如图层上，如图4 4所示。所示。IPEMIPEM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。噪声和寄生振荡，提高了系统效率及可靠性。第13页/共19页第十四页，共19页。PEBB：电力：电力(dinl

20、)电子积木电子积木 n nPEBB(Power Electric Building PEBB(Power Electric Building Block)Block)是在是在IPEMIPEM的基础上发展起的基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模来的可处理电能集成的器件或模块。块。PEBBPEBB并不是一种特定的半导并不是一种特定的半导体器件，它是依照最优的电路结体器件，它是依照最优的电路结构和系统结构设计的不同器件和构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。典型的技术的集成。典型的PEBBPEBB如图如图5 5所示。虽然它看起来很像功率半所示。虽然它看起来很像功率半导体模块，但导体模块，但PE

21、BBPEBB除了包括功率除了包括功率半导体器件外，还包括门极驱动半导体器件外，还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。电路、电源和无源器件。n nPEBBPEBB有能量接口和通讯接口。通有能量接口和通讯接口。通过这两种接口，几个过这两种接口，几个PEBBPEBB可以组可以组成电力电子系统，这些系统可以成电力电子系统，这些系统可以像小型的像小型的DC-DCDC-DC转换器一样简单，转换器一样简单，也可以像大型的分布式电力系统也可以像大型的分布式电力系统那样复杂。一个系统中那样复杂。一个系统中PEBBPEBB的数的数量量(shling)(shli

22、ng)可以从一个到任何多可以从一个到任何多个。多个个。多个PEBBPEBB模块一起工作可以模块一起工作可以完成电压转换、能量的储存和转完成电压转换、能量的储存和转换、阴抗匹配等系统级功能。换、阴抗匹配等系统级功能。PEBBPEBB最重要的特点就是其通用性。最重要的特点就是其通用性。第14页/共19页第十五页，共19页。基于(jy)新型材料的电力电子器件理想的功率器件。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。SiC可以用来制造射频和微波功率器件、高

23、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，可制作出性能更加优异的高温(300500)、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

24、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。第15页/共

25、19页第十六页，共19页。小 结：电力电子器件正进入以新型器件为主的新时代(shdi)，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。第16页/共19页第十七页，共19页。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(jm)单元，然后将这些积木(jm)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:电力电子器件(din z q jin)又可以称为什么？开关(kigun)器件高耐压大电流IGBT器件通常采用的结构是什么？高功率沟槽栅结构IGBT(Trench IGBT)铜基板、氧化铍瓷片和散热片第17页/共19页第十八页，共19页。第18页/共19页第十九页，共19页。