绪论、电力半导体器件基础及其使用相关技术.ppt

现代电力电子技术,绪论电力电子器件AC/DC变换AC/AC变换DC/DC变换DC/AC变换,教材:林渭勋，现代电力电子技术（研究生教学用书），机械工业出版社，2006-01,1绪论,一个简单例子电力电子节能概念,10直流电阻负载,额定功率1kW,工作中需100W1kW可调(对应电压10100V,电流110A变化)，确定负载供电电源实现方案。,方案1,采用110可调电阻，负载50V(250W)运行时：R299.1,R110.9。额外损耗：P=502/99.1+602/10.9355W效率极低。,方案3,方案2,1.绪论,1.1电力电子及其发展,应用前景：电能使用90%-转换使用，2010：80%经电力电子。（CPES语,CenterofPowerElectronicssystem,USA).,电力电子:采用电子开关、进行电能转换（处理）电子学（半导体器件）。涉及电工学（电力、电机）。控制学（控制技术）。,1.1.1电力电子,处理功率的电子学(强弱结合),1.绪论,2.特点：开关状态工作、进行电能转换（功率大)。,3.核心：变流ACDC,4.基本技术问题(1)新材料、新器件(碳化硅、氮化镓宽禁带材料;超级结、浮动结等);(2)电路拓扑(核心桥式);(3)控制及转换方法(移相、PWM、多电平；智能控制);(4)功率集成(PICPowerIntegratedCircuits;IPMIntelligent/SmartPowerModule;IPES(M)IntegratedPowerElectronicsSystem/Module);(5)抑制谐波、提高功率因素(PFCPowerFactorCompensation);(6)提高转换效率;(7)高频化(Softswitch、高频磁技术);(8)EMC设计(Electromagneticcompatibility)。,1995年，美国总统科技顾问委员会提供咨询报告，列举6项关系国民经济发展及国家长久安全关键技术：材料、制造业、信息通讯、航空和运输、能源与环境、生物技术前5项均与电力电子有关。,5.应用：涉及机械(交直流电机传动)、电子(各种电子、半导体材料器件及电子、集成电路)、冶金(电炉冶炼精炼、锻轧钢)、材料(电焊、透热、淬火)、化工(电解电镀、鼓风除尘制氧机)、交通(机车牵引、船舶、电动汽车)、通信(各种有线无线卫星通信电源)、电力(无功补偿、太阳能风力新能源发电)、家电(空调、电磁灶、电视冰箱洗衣机)、医疗(B超CT等电子诊断医疗仪器)、国防(激光武器、电磁炸弹、电子对抗)以及航空航天等。,1.1.2电力电子发展态势,除应用范围不断扩大之外，总体：(1)高频化(MHz水平:提高性能、效率、功率密度：变压器、电感、电容体积Hz平方根成反比)。,1.绪论,(2)绿色化（洁净化。高效、无谐波、EMC）。,1.总体发展趋势,1.绪论,3.智能化(数字化。神经网络、模糊、自适应、仿生学(粒子群，蚁群)等方法应用）。,1950-1970:摇篮期。主要Thyristor、GTR等。1970-1990:成长期。主要MOSFET、IGBT、GTO、光控Thyristor等。,4.集成化(PIC/PMIPM/SPMIPEM/IPES)。,2.几个典型发展态势：,1990-至今:成熟期。硅材料的电压全控型电力电子器件和各种复合型器件进一步完善和发展,如,IGBT(6006.5kV,13.5kA)、IGCT;各种功率集成模块(PM)、智能模块(SPM,IPM)的出现等。目前电力电子器件的功率水平基本上稳定在109-1010WHz水平,传统功率器件已逼近由于寄生二极管制约而能达到的材料极限。,1.器件：如同因为有了计算机才引发信息浪潮一样，电力电子技术伴随着器件的发展而进步。,但自1990年代之后，电力电子器件无进一步突破性发展电力电子技术也难以有革命性跨越。,为突破目前器件极限-两大技术发展方向：,宽禁带电力半导体器件(碳化硅、氮化稼等),如,SJ-MOSFET;LDD-MOSFET;RB-IGBT(反相阻断型)等。随着宽禁带电力半导体器件的商用化，可能给电力电子技术带来一个革命性改观。(查看宽禁带半导体电力电子器件及应用，陈治明、李守智编著，机械工业出版社，2009年1月）,2.可再生新能源以及分布式发电系统的发展为电力电子技术应用提供并将提供更广阔的发展空间。传统：煤、油、核、水电。可再生：风、水(海洋)、生物、地热、太阳能等需要电力电子转换并入电网。电能质量控制：无功、谐波补偿等。,3.电力电子系统集成IPES:,1.绪论,1997,美国海军提出PEBB(PowerElectronicsBuildingBlock)便于标准化、模块化、维护和规模生产等。1998,美国电力电子系统中心(CPES)正式提出电力电子系统集成概念。主要分为：,新的器件结构(如超级结、浮动结型）。,1.绪论,子系统集成核心：PSOC(PowerSystemonChip)和PSIP(PowerSysteminPackage,多片封装)系统级集成：多个PSIP组成应用系统。,2002我国立项研究(浙大、西交大、西安电力电子所)。,主要涉及：基本单元拓扑、集成封装、绝缘散热、无源元件集成、磁集成、平面金属化(模块中喷涂金属层、表面贴装驱动保护检测芯片等以减小寄生参数)等技术。,1.2电力电子高频化,音频(16Hz20kHz)以上开关频率一般称高频(超音频)不同于无线电高频(用于无线电广播与通讯的中波:100kHz6MHz;短波:630MHz;用于电视雷达卫星通讯的超短波(微波):303105MHz)。,高频化提高功率密度、减小储能元件体积，便于装置小型轻便化，如，变压器、电感、电容体积Hz平方根成反比。带来主要问题:开关元件功耗、开关应力问题；寄生分布参数影响及EMI(Electro-MagneticInterference)等问题。,1.绪论,高频化引发许多技术革新:软开关技术(ZVCS:ZeroVoltageCurrentSwitching;ZVCT:Zero-VoltageCurrentTransition);时间分割波形交错技术;同步整流技术(低压大电流高频)；高频磁技术(兆赫级的非晶、纳米晶磁性材料；PET(压电变压器:Piezo-ElectricTransformer);减小寄生分布参数、便于电力电子系统集成的平面变压器、磁集成、磁电混合集成)；SiC(碳化硅)等电力半导体器件；高频和超级电容器(容量大可达数十上百法拉、体积小、充放电快、等效串联电阻小)。高频电力电子电路的EMC技术等等。,2.电力电子器件,电力电子器件是电力电子电路的基础工程实际：许多问题都可归结为如何使用好器件的问题。,一.电力电子器件:工作在开关状态、用于功率转换的电力半导体器件。,1.双极型、单极型、复合型：两种载流子(多子、少子)都参与导电的器件双极型器件。特点：单管容量大、开关速度低。如，SCR、GTO、GTR等；只有一种载流子(电子或空穴)参与导电的器件单极型器件。特点：单管容量小、开关速度高。如，功率MOSFET。单极型与双极型器件混合集成而成的器件复合型器件。开关速度、单管容量介于单、双极型器件之间，如，IGBT、IGCT。,二.主要类型：,2.电压驱动型、电流驱动型：通过在控制端与公共端之间施加一定的电压信号即可实现器件的导通或关断电压驱动型器件。特点：所需驱动功率小。如，MOSFET、IGBT、IGCT。,2.电力电子器件,通过在控制端注入或抽出一定的电流实现器件的导通或关断电流驱动型器件。特点：所需驱动功率较大。如，SCR、GTO、GTR。,3.不控、半控、全控型器件：不能通过控制信号控制器件的通、断不控型器件。如,电力二极管(PowerDiode);通过控制信号只可以其控制导通、不能控制其关断半控型器件。如,晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件。通过控制信号既可以其控制导通、又能控制其关断全控型器件。如功率晶体管(GTR:GiantTransistor)、门极可关断晶闸管(GTO:GateTurn-OffThyristor)、功率场效应晶体管(P-MOSFET:PowerMetalOxideSemicon-ductorFieldEffectTransistor)、绝缘栅双极晶体管(IGBT:Insulated-GateBipolarTransistor)以及集成门极换流晶闸管(IGCT:IntegratedGateCom-mutatedThyristor)等。,三.电力半导体器件基础,为了能够较深刻理解电力半导体器件的工作特性简单了解有关半导体及其导电机理的一些基本知识。,1.半导体,三.电力半导体器件基础,(1)导体:分为第一类、第二类导体。第一类导体：主要指各种金属。导电机构为自由电子，自由电子密度(典型值:10281029/m3之间)与原子密度相当、不随温度变化而明显改变。电子流动不会引起物质的化学性质变化以及物质的质量迁移（导电机构是电子,所有电子都相同,且质量远小于原子核）。,第二类导体：主要有酸、碱、盐的溶液等化学电解质。特点是导电机构为离子(缺少电子或者电子多余的原子或原子团),由于各种离子的化学成分和质量不一定相同,导电往往引起物质的化学性质变化和物质的质量迁移。,(2)绝缘体又称电介质,如玻璃、石蜡、硬橡胶、松香、丝绸、瓷器、纯水、大部分塑料、干燥空气等。特点是原子与其电子之间束缚力很强,即使有外电场作用,电子也不能挣脱原子束缚成为导电机构。,按导电性能的不同,物体可分为：导体、绝缘体、半导体。,假使物质的某部分因外界作用而获取电子，获取电子会被相邻原子牢牢吸引住；假使物质的某部分因外界作用而失去电子,物质其他部分电子不能够前来补缺。故这些物质不能导电，除非外电场强大到足以将电介质击穿。,1.半导体,(3)半导体如硅、锗、硒、金刚石以及一些化合物如砷化镓、碳化硅等。导电能力介于金属导体与绝缘体之间，导电能力明显依赖材料内、外状态。完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体，不能导电(所有原子在绝对零度时,都将其电子(含最外层电子)紧紧束缚在周围，不能象金属中的价电子那样在电场作用下参与导电)。本征激发的半导体可以导电(随温度上升,获得足够能量的束缚最弱的外层电子,会挣脱束缚成为可参与导电的自由电子;在原束缚处同时留下相应空穴,为临近束缚电子提供了填补机会,束缚电子依次填补会形成“空穴移动”导电)。但导电性能很差(本征激发载流子数量很少,如室温下硅的导电电子密度约为1.381016/m3，远不能与载流子密度典型值在10281029/m3之间的金属相比)。,半导体三个重要特征：导电电子密度会随温度上升而指数增加；存在空穴和自由电子两种载流子,且两者数量相等；掺杂可使半导体导电性能大为增加若掺杂的是价电子数比硅少一个的族元素(如硼、铝),则成为空穴导电占优势的P型半导体；若掺杂的是价电子数比硅多一个的族元素(如磷、锑),则为电子导电占优势的N型半导体。掺杂一般只是微量，但掺杂引入的载流子密度比本征激发产生的载流子密度一般却高出若干数量级(10个数量级甚至更多)。,三.电力半导体器件基础,实际半导体材料可能含数种杂质。一般而言，产生同一极性载流子的杂质(如硼和铝均是产生空穴载流子，磷和锑均是产生电子载流子)作用总效果是相加的，产生相反极性载流子的杂质作用总效果是相减的。半导体材料中含不同极性载流子杂质的同时存在，不能象本征激发那样同时产生导电空穴和电子，只能作用相互抵消称作杂质补偿效应。利用该效应可使多数常用半导体在P、N两种导电类型之间相互转化。若使不同极性载流子杂质的含有浓度相等称作高度补偿，相当于净掺杂浓度为零，可使半导体“重新恢复”两种载流子密度相等状况。但此时半导体的导电性将不如本征半导体，因为掺杂会降低载流子迁移率，且掺杂浓度越高影响越大。,2.PN结,掺杂的方法主要有合金法、扩散法、离子注入法等。,2.PN结,PN结P型与N型半导体的结合部，是电力半导体器件的基本构成要素。,通常PN结处不应有晶体结构的改变，即，原子的周期性和规则性排列在PN结处必须连续。一块P型与一块N型半导体的机械接触难以实现这种原子之间的连接，一般通过掺杂或外延生长方法形成PN结。,(1)PN结生成方法,合金法先在N型(或P型)单晶硅片上淀积一层异型掺杂物，施加适当温度，使两者在界面处形成共融体，再逐步降温使两者析离，借以形成具有连续晶体结构的异型掺杂层。以N型硅片上掺杂铝为例:,Al,N型硅上放置薄铝片,合金法形成的PN结，杂质浓度改变具有突变性：在N型硅单晶中的原有施主杂质浓度近似均匀分布，再结晶形成的P型区中的净受主杂质浓度则突变,三.电力半导体器件基础,扩散法先在N(或P)型单晶硅片上热生长一层二氧化硅(SiO2)薄膜，利用光刻在二氧化硅薄膜上刻蚀一个窗口，将其置于P(或N)型掺杂剂环境中，在高温下让杂质原子从窗口的单晶硅表面向硅片体内缓慢扩展，从而形成PN结。过程如图所示。,为浓度较高的均匀分布称突变结,如图所示。,SiO2,N型硅片上生长SiO2薄膜,扩散法形成的PN结出现在扩散杂质与硅片体内原有杂质浓度相等的高度补偿处，且杂质浓度分布的改变比较平缓，从P型到N型的转变是渐进的称缓变结。若结深Xj处的杂质浓度分布可用该处的切线近似表示线性缓变结。若结深Xj较小、掺杂浓度又较高，则Xj处浓度梯度很大可简化为单边突变结。,突变结,合金法因杂质浓度和掺杂层厚度不易精确控制，早期较为多用，现不多用。,杂质扩散,三.电力半导体器件基础,缓变结,单边突变结,离子注入法离化掺杂原子，令其瞄准硅片加速、穿透硅片表面、渗入体内一定深度以形成PN结。此法掺杂均匀性好、精确、重复性高，是较为理想的掺杂方法。但掺杂离子穿透硅片表面前需加速到具有数十keV(keV:一个带有1.61019库仑电量的电子经过1kV电场加速所获动能)的动能，所需设备复杂、初期投资成本高。,大功率电力半导体器件多采用扩散法形成PN结。,外延生长法在高温下(如,11000C)，使含有掺杂的硅气体(气相外延)或液体(液相外延)化合物流过表面精细加工过的N型(或P型)硅晶衬底(基片)，化合物中热分解出的硅原子和微量杂质原子会沉积在硅晶基片表面，并按照硅单晶的原子排列规则延续成新结晶层(薄膜)。,不同的掺杂化合物延续成不同类型的结晶薄膜。若结晶薄膜与基片是异型的，就形成PN结。若掺杂薄膜与基片是同型的，就形成浓度不同的NN结或PP结称高低结(号表示高浓度掺杂)在制造功率器件时可采用此方法改善器件某些性能，如，功率二极管采用PNN或PPNN结构以改善耐压能力和正向特性。,2.PN结,外延生长结晶中的杂质含量可由掺杂化合物中的掺杂浓度以及其他工艺参数精确控制，容易形成掺杂浓度分布均匀的理想突变结。但是生长层越厚，结晶晶体的完美性越难保证，对衬底基片的要求越高，故在高耐压电力电子器件制造工艺中较少采用，而在功率集成电路和一些新型电力电子器件制造工艺中普遍采用。,(2)PN结形成及其单向导电机理,P型与N型半导体在物理上接触一起时，交界两侧存在电子与空穴的浓度差异。在无规则的热运动中，界面两侧N区的电子将向P区扩散，留下带正电荷的杂质离子(这些杂质离子在晶体点阵中有其固定位置，不能随意移动，故不能参与导电)，形成一层正电荷区域。同理，P区的空穴将向N区扩散，留下带负电荷的杂质离子，形成一层负电荷区域，从而在界面两侧形成一个由N区指向P区的电场称内电场或自建电场。,内电场方向将阻止扩散的持续进行，并会使电子与空穴产生与扩散运动方向相反的漂移运动，削弱内电场。扩散与漂移相互联系又相互矛盾，二者在一定温度下达到动态平衡时，形成一个总量不变、稳定的由空间电荷构成的“空间电荷区”。,三.电力半导体器件基础,在整个空间电荷区范围，正负电荷数量相等，整体保持电中性称PN结。,空间电荷区又称耗尽层，因为该区域中的多子已经扩散到对方被复合掉，该区域中的多子浓度与P区和N区的多子浓度相比低得多，如同被耗尽一样。空间电荷区也称阻挡层，因为它削弱载流子的扩散能力，阻止扩散运动的持续进行。空间电荷区还称势垒区，因为内电场存在使得N区电位高于P区电位接触电位差，这是由于电子的势能变化引起，N区电子向P区扩散必须越过这个能量高坡势垒。,接触电位差是PN结的重要特性参数之一，其大小与温度T、P区的受主杂质浓度Na、N区的施主杂质浓度Nd等有关。对于突变结，接触电位差U0可近似为：,式中q为电子的电量(q=1.6021019库仑)，k=1.381019焦耳/K(Kailvon,绝对温度)玻尔兹曼常数。nT温度为T时的本征载流子密度，一般TnT。常温下可计算出硅PN结的U00.7V。,若在PN结上外加正向电压VF，即P区接VF正端，N区接VF负端，外加电场与内电场方向相反，则使内电场削弱，打破扩散运动与漂移运动的原有平衡，使扩散运动得到增强，产生N区电子流向P区以及P区空穴流向N区的扩散电,2.PN结,电流。N区电子通过空间电荷区进入P区成为P区少子，P区空穴通过空间电荷区进入N区成为N区少子称少子注入效应。由于注入的少子与被注入区多子的复合原因，少子注入并不会在PN结边界处形成积累而反过来增强内建电场。从而在外电路作用下会形成稳定的、源源不断的扩散电流。若外加正向电压VF升高，则会进一步削弱内电场、增大扩散电流。故正向偏置的PN结呈现为一个很小的电阻，流过较大的正向电流。,若在PN结上施加反向电压VF，外加电场与内电场方向相同，则使空间电荷区电场增强，进一步强化载流子的漂移运动和对扩散运动的抑制PN结边界处P区一侧的少子(电子)将被空间电荷区的强电场扫向N区，N区一侧的少子(空穴)也会被空间电荷区的强电场扫向P区，这些少子被强电场扫走之后中性区的少子通过扩散流向PN结边界处，在外电路作用下形成源源不断的反向电流称少子抽取效应。,由于少子浓度在一定温度下是一个常值，且一般远远低于多子浓度，因此PN结的反向电流是一个几乎与外加反向电压无关的很小的“饱和”电流，一般为微安数量级。亦即，反向偏置的PN结呈现为一个很大的电阻，对反向电流具有阻断能力，只会流过很小的反向“漏电流”，这就是PN结的单向导电性。,三.电力半导体器件基础,Is反向饱和电流;V外加电压;T绝对温度;q电子电荷量;K玻尔兹曼常数;VT温度的电压当量(常温时约0.026V),分析该式可知，若外加正向偏置电压V远大于VT，式中指数项则远大于1，正向偏置电流随V的增加呈指数规律上升。而反向偏置时，外加电压V为负值，式中指数项随V绝对值的增加很快衰减到零，I反向饱和电流(Is),为一个常数，不随外加电压变化。,(3)PN结的反向穿通与反向击穿,反向偏置的PN结具有一定的反向耐压能力。但反向电压过大，超过一定限度，反向电流就会急剧增大，破坏PN结的反向阻断能力反向穿通或击穿。,根据理论分析，PN结的电流电压关系可用下式近似表示：,反向耐压很高、正向导通电流容量又很大的PN结容易出现反向穿通问题。,2.PN结,雪崩击穿：反向电压增大空间电荷区的电场强度增大从中性区漂移进入空间电荷区的载流子被加速，获取很高动能这些高能量、高速载流子撞击晶体点阵原子使其电离(碰撞电离)，产生新的电子空穴对新产生的载流子也被加速获取能量，产生新的碰撞电离，使载流子迅速成倍增加即雪崩倍增效应，导致载流子浓度迅速增加，反向电流急剧增大PN结反向击穿。,反向击穿分为雪崩击穿、齐纳击穿。,这种PN结通常是一侧为重掺杂、另一侧为轻掺杂的、电阻率较高的单边突变结，为减小正向导通时的功率损耗，轻掺杂区的厚度都尽量减小。当PN结反向偏置时，空间电荷区就会主要在轻掺杂一侧扩展，外加电压将主要由轻掺杂一侧承受。若掺杂均匀性不高，存在更低掺杂区，在高反压条件下，空间电荷区扩展就很可能突破更低掺杂区而与电极直接连通，从而直接从电极抽取载流子，使反向电流急剧增大。硅P+N型的单边突变结，穿通电压可表示为：,q电子电荷量；NN区掺杂浓度；W厚度；0介电系数。,由于载流子获取足以电离晶体点阵原子的动能需要足够加速距离，新生载流子在进入中性区之前有较多碰撞机会也需足够宽度，雪崩击穿一般发生在空间电荷区较宽、且是轻掺杂侧。,三.电力半导体器件基础,齐纳击穿：亦称隧道击穿,一般对于重掺杂的PN结(一些特殊器件，如大电流容量)才会发生。重掺杂浓度的PN结，一般空间电荷区很窄，空间电荷区中的电场因其狭窄而很强，P区与N区之间能带间距也很小反偏又使空间电荷区中的电场强度增加，能带间距进一步减小空间电荷区中的晶体点阵原子直接被电场电离，从P侧价带释放出价带电子参与导电(相当于从P区价带而不是导带直接抽取电子)使反向电流急剧增加。,NN区掺杂浓度。,假定N从1019/m3提高到51020/m3，则UB将从大约9500V降低为500V左右。,雪崩击穿电压会随轻掺杂区的掺杂浓度升高而降低，如，硅P+N型的雪崩击穿电压可表示为：,上述两种击穿形势都是可逆的，即，只要在外电路中采取适当措施，使反向电流限制在一定范围内，保证反向电压与反向电流的乘积不超过PN结允许的耗散功率，在反向电压降低后PN结仍可恢复原来状态。但是，无论是正向还是反向偏置，如果流过PN结的电流与其电压乘积超过PN结的允许耗散功率，就很可能因热量积累导致PN结温度上升，超过PN结的耐温极限，造成PN结的永久损坏。,2.PN结,(4)PN结的电容效应,PN结中的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应称结电容。,结电容影响PN结的工作频率，尤其是在高频情况下，会使其单向导电性变差，甚至无法工作。,PN结电容主要由势垒电容和扩散电容组成。,势垒电容。PN结存在空间电荷区，由于空间电荷区中没有可动电荷，犹如一层绝缘介质。对于平面结，空间电荷区两侧的低阻N型和P型中性区如同两个可以存放电荷(载流子)的极板，与空间电荷区一起构成一个电容器。由于空间电荷区是载流子的势垒区故称此电容为势垒电容。电容的基本功能是充放电，势垒电容的充放电是通过空间电荷区宽度的改变来进行的。当PN结正偏、正偏电压增加以及反偏电压减小时，N区和P区的多数载流子进入阻挡层，与边界处的相反极性的空间电荷中和，使空间电荷区宽度变窄，相当于将这些载流子存放在空间电荷区充电。当PN结反偏、反偏电压增加以及正偏电压减小时，空间电荷区两侧边界处产生离化，释放出部分载流子，空间电荷区变宽放电。势垒电容大小与PN结截面积、阻挡层厚度有关。一般而言，PN结截面积越大势垒电容越大，阻挡层厚度越厚势垒电容越小。但是势垒电容不是一个,三.电力半导体器件基础,常数，其大小会随外加电压不同而改变。并且只有在外加电压变化时势垒电容才起作用，外加电压变化频率越高，势垒电容作用越显著。,扩散电容。PN结的正向电流是由P区的空穴与N区的电子相互向对方扩散形成的。PN结正偏时，大量电子由N区进入P区，成为P区的少子。同样大量空穴由P区进入N区，成为N区的少子称作少子注入效应。但是这些进入P区的电子并不能立刻与多子空穴复合，进入N区的空穴也不能立刻与多子电子复合，而是在靠近阻挡层的一定距离内(称扩散长度)一边继续扩散，一边复合后消失(直到消失所需平均时间称作少子寿命)。因此，在扩散长度内也积蓄有一定数量电荷，随正向电压变化也具有电容性质扩散电容。扩散电容是由PN结正偏的少子注入效应所产生，PN结反偏没有少子注入效应问题，因此，只有在PN结正偏情况下才能明显体现出扩散电容问题。并且正偏电压越高、正向电流越大，扩散长度内积蓄电荷数量就越多，扩散电容作用越显著。扩散电容同样也不是一个常数。,综上所述，PN结电容主要由势垒电容和扩散电容组成。在PN结正偏状态下，当正向电压较低时，扩散运动较弱，扩散电容相对较小，势垒电容相对占主要成份。正向电压较高时，扩散运动加剧，扩散电容近似按指数规律上升，扩散电容则成为主要成份。PN结反偏时，扩散运动被强烈抑制，扩散,2.电力电子器件,四.常用电力电子器件：,1.电力二极管(PowerDiode),电容很小，PN结电容则以势垒电容为主，如图所示。,四.常用电力电子器件：,四.常用电力电子器件,2.晶闸管(Thyristor),3.GTO(GateTurn-OffThyristor),4.MOSFET(PowerMetalOxideSemicon-ductorFieldEffectTransistor),5.IGBT(Insulated-GateBipolarTransistor),6.IGCT(IntegratedGateCommutatedThyristor),导通:G1与G2同时驱动；关断:G1先工作，部分主电流由阴极向门极幻想，尔后G2关断，此段转换时间约1s。,7.宽禁带半导体电力电子器件,2.电力电子器件,自我熟悉各种电力电子器件相关内容：(1)类型及特点；(2)通、断过程机理；(3)特性、主要性能参数及其意义；(4)电路运行条件对器件性能或特性的影响；(5)驱动及要求；(6)使用保护(电压保护、电流保护等)。,耐高温：最高工作温度有可能超过600oC;耐高压：击穿电场强度高；电流容量大、通态压降小：通态电阻比(器件单位面积的通态电阻)同功率等级硅器件的1/1001/200；工作频率高：相比同功率等级的硅MOS器件工作频率至少提高10倍以上，等等。,一些宽禁带半导体电力电子器件已经商品化，如，1200V/20A的Sic肖特基二极管系列产品已有出售；一些Sic-MOS器件已经投入使用等等，详细可查看宽禁带半导体电力电子器件及应用，陈治明、李守智编著，机械工业出版社，2009年1月。,五.电力电子器件的缓冲电路：,1.耗能式缓冲电路,电力电子器件由断态转为导通时：可能流过较大di/dt，对开关器件造成di/dt损害；开关S两端电压与流过S的电流可能同时为最大，造成较大开通损耗，如图所示需施加开通缓冲电路。,(1)开通缓冲,Lon:缓冲电感;Don:续流二极管;Ron:耗能电阻;Lson:饱和电感起始Lson为高阻抗uC下降到零iC最大Lson处于饱和开通缓冲效果更佳。,t,2.电力电子器件,五.电力电子器件的缓冲电路,(2)关断缓冲,S由通态转为关断时：可能出现过大瞬时电压尖峰(回路中电感或杂散电感引起)以及过大di/dt(易使器件误通)，对S造成电压损害；开关S两端电压与流过S的电流可能同时为最大，造成较大开通损耗，如图所示需施加关断缓冲电路。,2.电力电子器件,(3)复合缓冲,将开通缓冲与关断缓冲二者结合起来，可组成如图所示的复合缓冲电路。S开通时，Lon缓冲电流上升率，抑制di/dt。S关断时，C经D旁路S，吸收关断时电路中的额外能量，防止关断瞬时电压尖峰对S造成损害。S再开通时，C经R、Lon、S放电，为吸收S再次关断时的额外能量做好准备。,2.馈能式(无损)缓冲电路,(1)馈能式开通缓冲电路,无源馈能式开通缓冲如图所示。缓冲电路接有匝数比1:N、同名端相反的变压器。S开通时，变压器一次侧具有一定电感，起缓冲电感作用。S关断时，变压器中的储存能量经Don回馈电源VCC。匝数比大小会影响电路工作：N越大，会降低S的承受电压，回馈能量越快。但会使Don耐压水平提高，同时会使变压器铁芯恢复时间加大，反过来又影响能量回馈速度，使用中应综合考虑匝数比的大小设置。,无源馈能式开通缓冲,五.电力电子器件的缓冲电路,如图所示为有源馈能式开通缓冲电路，SMPS为开关电源电路。S关断时，Lon中的储存能量经D0转移给C0。SMPS将C0上的较低电压转换为适合向电源回馈的较高电压。C0充电时间长短与S关断时流过Lon的电流大小有关，适当控制SMPS可使C0电压保持恒定，也可改变C0充电电流使Lon恢复时间维持恒定。,(2)馈能式关断缓冲电路,无源馈能式关断缓冲如图所示。S关断时,Cs经Ds充电吸收能量。S开通时,Cs经L0、D0、C0和S回路产生振荡，将Cs的储能转移给C0，极性如图中所示。S再次关断时,Cs再次充电储能，C0经Dc向负载RL放电，使能量得到回馈。电路参数设计的关键是：在S开通时段内，振荡回路足以保证将Cs的储能完全转移给C0。否则，Cs上形成的能量积累将严重影响Cs在S关断时的吸收效果。,2.电力电子器件,如图所示为有源馈能式关断缓冲电路。S关断时,Cs经Ds充电吸收能量。S开通时,Cs经S、C0、L0和D0回路产生振荡，将Cs的储能转移给C0，极性如图中所示。SMPS将C0上的较低电压转换为合适的电压向电源回馈或作他用。与无源馈能式关断缓冲电路相类似，参数设计的关键是：在S开通时段内，振荡回路足以保证将Cs的储能完全转移给C0。,(2)无源馈能式复合缓冲电路,将无源馈能式开通缓冲与关断缓冲二者结合起来，可组成如图所示的复合缓冲电路。L0在S开通时起抑制di/dt作用，并且Cs经D0、C0、L0和S回路将Cs的储能转移给C0。S关断时，Cs经Ds充电吸收能量，并且C0、L0并联将存储能量经DC馈送给负载RL。,六.电力电子器件的散热,2.散热途径,器件流经电流功耗发热结温升器件特性变化(影响电路工作性能)甚至器件永久性热损坏。散热直接影响器件使用寿命。尤其功率器件芯片面积大温度分布不均，存在局部过热点规定最高工作结温本征失效温度。散热影响器件额定电流使用(低温超导为例)。硅器件为例:一般商业用135150oC;军用125135oC;航天及超可靠要求场合105oC。锗器件更低。,1.散热必要性,热对流：被加热介质移动带走热量。自然对流(如,被加热介质变轻飘升),强迫对流(如,依靠外界力量迫使被加热介质移动)。,A:辐射表面有效面积；Ts:辐射表面温度；Ta:环境温度。,e:辐射表面发射率(材料、表面光洁度、颜色等有关,如黑色e1,其他色e(0.110.0)Mcm，普通低压设备2.5kcm过份降低电导率增加水处理难度，大功率变流设备冷却水电阻率一般在(210)Mcm之间。,循环式水通过被冷却的电子元件沿水路将热量带走，进入冷却装置使水降温，经水处理后再经循环泵将水增压循环使用。冷却装置：敞开式喷淋、鼓风等方式将热量散发到大气,水的挥发损失大、空气中杂质污染循环水、水中含氧量及沉淀盐分积多加大腐蚀性；密闭式风冷换热器或其他制冷方式使水降温,不直接接触大气。水耗小、水纯度高。,水冷散热效率自然空气冷却的150300倍，500A以上元件多用水冷。,5.散热措施,2.电力电子器件,水冷散热需保证一定的水流量，可采用Icepak、Ansys等软件进行仿真计算。若根据器件功耗PW进行估算:,冷却水单位时间能够带走的热量：Q=C.m.TC水的比热：0.42；T水温升：入水温度出水温度；m单位时间流出的水的质量：m=水比重水流横截面积水流速。冷却水单位时间能够带走的热量应器件功耗PW。通常要求循环水泵能够提供15MPa的水压根据水路的水阻大小确定，水管越细水阻越大。普通变流器冷却水压多在13Mpa(1MPa=10.2kgf/cm2，1Pa=1N/m2)之间。,一个循环式水冷散热系统示意图如图所示。,5.散热措施,六.电力电子器件的散热,(4)微通道冷却(micro-channelheat-sink)。通过微加工技术在高导热率的材料上加工出微通道(通道直径为微米级)，底面上的热量经过微通道壁传导至通道内，然后被强制对流的流体带走。微通道尺寸微小，极大增长了冷却流体与散热器的接触面积液体在微通道内被加热会迅速发展为核态沸腾，具有很大换热能力比常规空气风冷的传热能力高出12个数量级，可达800w/cm2，极大提高了散热效果。,水冷散热的主要不足：冷却水结露问题、使电设备所处环境潮湿问题、水路低温结冰问题等等。,微通道冷却也是目前国内外研究热点，研究内容主要侧重于通过试验研究微通道的结构参数对通道内的流动换热过程、流动阻力(通道两端压差)的影响，但对微尺度传热机理与理论研究比较少。,液体单向流经截面积极小的微通道会伴随很大温升引起热应力过高或芯片热电不匹配等严重问题。增大流速可降低温升，但流速又受各种因素制约不能足够大。利用气液相变可以解决温度梯度过高问题，但这又会带来结构复杂、流动需要更大压降等问题。,5.散热措施,2.电力电子器件,(5)半导体制冷。半导体制冷是由半导体按照特殊结构组成的一种制冷装置，是近年来迅速发展的一项高新技术。其基本原理是珀耳贴效应，如图所示。由X及Y2种不同的金属导线所组成的封闭线路通电之后，“冷端”吸收的热量被电流携带转移到“热端”，再经“热端”不断散发出去，从而使“冷端”得以“冷却”。,一个半导体制冷片由几十个PN型“半导体颗粒”串联而成，如图所示。PN型半导体通过金属导流片链接，当电流由N通过P时，电场使N中的电子和P中的空穴反向流动，他们携带的来自冷端的热能，被热端导流片吸收，在制冷片两个表面形成一个温差。再通过风冷/水冷对热端进行降温，这就是半导体制冷的工作原理，,半导体制冷的优势在于：能使温度降至室温以下满足高热流密度特殊情况；,5.散热措施,六.电力电子器件的散热,使用闭环温控电路，温控精度可达0.1oC；无运动部件，无噪音、失效低；可靠性高，使用寿命长(可长达20万小时)等。缺点是：制冷温差小、制冷效率低；需要一个高稳定度的直流供电(一个制冷片一般约需几十W功率)，成本较高；可能在被散热的半导体芯片周围结露，造成半导体芯片电路短路；若热端散热不到位，易形成被散热半导体芯片烧毁危险。,(6)喷射冷却技术(spray-cooling)。近年人们将喷射冷却技术用于电子电气设备冷却以满足更高功率密度的冷却要求,被公认是解决极高热负荷的首选冷却方法。,喷射冷却具有射流冲击和沸腾传热两种强化传热作用,据雷尼技术公司介绍,采用ESC喷射冷却技术的散热量最高可达800W/cm。采用喷射冷却的IGBT模块,冷却液的流量仅为一般微通道冷却器的1/101/20。,喷射冷却原理如图所示。功率元件安置于密闭容器中，冷却液经喷嘴喷为雾状，均匀冲击被冷却表面。雾滴受热蒸发，在压力作用下被带出冷却腔体，,5.散热措施,2.电力电子器件,与喷射冷却类似的还有射流冲击冷却技术，主要用于新型微电子芯片的冷却。,(7)化学制冷。所谓化学制冷，就是使用一些超低温化学物质，如，干冰、液氮，利用它们在常温下气化，迅速吸收大量的热来制冷。这种散热方式可以带来顶级的散热效果，如，使用干冰可以将温度降低到零下20以下；利用液氮可以将温度降到零下100以下。由于价格昂贵、持续时间太短，这这种散热方法多见于科学实验或其他极端重要场合。,(8)一些新型材料散热：如热解石墨、碳泡沫等。,在真空炉中处于高温状态的碳氢化合物气体分解而成的热解石墨,重量轻且具独特的定向传热特性:高度阵列的水晶状石墨在平面上的热导率能达1700W/mK,接近紫铜的4倍;平行的呈六边形的网格状结构使其强度高,但层与层之间接合力低又使其脆弱易碎。如图将热解石墨压装入密闭的盒体中，可综合两种材料优点,不仅热导率高(接近1400W/mK),且密度低(1.9g/cm3),成为理想的导热材料却很昂贵！,5.散热措施,六.电力电子器件的散热,碳泡沫：橡树山国家实验室(ORNL)开发了一种制造多孔性碳泡沫材料的高效、低成本工艺方法，将其作为电力电子器件的散热。此种多孔性碳泡沫具有低密度、高热导率、相对大的表面积和开放式结构等诸多特点，是一种理想的电力电子器件散热材料。右图示出采用此材料的某型散热器，下表给出这种材料与铜、铝的性能比较。,此外还有利用液态金属作为导热材料,如,镓和铟混和金属在10度时为液态,其导热性能比水高65倍,比空气高1600倍。林林种种，不一而举。,6.热管技术,2.电力电子器件,热管充分利用毛细作用与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传出,导热能力超过任何现有金属热超导元件。热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业。自从引入散热器制造行业，使人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机获得高散热效果的单一散热模式。采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，也可得到满意散热效果，开辟了散热新天地。,热管结构:典型热管由管壳,多孔毛细吸液芯、工作液三部分组成,管内抽成真空负压(1.31011.3104Pa),紧贴热管内壁的吸液芯材料中充满工作液后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段),另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要可在两段中间布置绝热段。,热管技术是1963年美国加州大学LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种称为“Heat-Pipe”(热管)的传热元件。,(2)热管工作原理:,6.热管技术,六.电力电子器件的散热,热管的一端受热时,管内负压使多孔毛细吸液芯中的工作液极易蒸发汽化，蒸汽在微小压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再靠毛细作用力沿多孔材料流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另端。,下图示意出热管的工作过程：,6.热管技术,2.电力电子器件,热管在实现热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：,热量从热源通过管壁和充满工作液的吸液芯传递到(液汽)分界面；工作液在蒸发段内的(液汽)分界面上蒸发；蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；蒸汽在冷凝段内的(汽液)分界面上凝结：热量从(汽液)分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源：在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液回流到蒸发段。,热管是依靠内部工作液的相变实现传热的元件，具有以下基本特性。很高的导热性。热管内部主要靠工作液的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与同体积的银、铜、铝等金属棒相比,热管导热量高出数百甚至千倍以上。当然，热管也有其局限，如，热管传热能力受到各种因素限制，存在一些传热极限；热管的轴向导热性很强，径向远不及轴向(径向热管除外)等等。,优良的等温性。热管内腔蒸汽是处于饱和状态的，饱和蒸汽从蒸发段流向,(3)热管基本特性,冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中气体等容过程方程式可知：饱和蒸汽压降很小温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。热管外界温度变化很大导热量随之变化热管内部温度的变化却很小，此种御热（Heatshield）性能及等温导热性能可用於太空衣(Spacesuit)、太空飞船及人造卫星的温度调节及控制上。若在一个热管中採用两种不同的工作液，热管会產生两个温度区(Temperaturezone)，这种情形也适合某些特殊的温度控制。,6.热管技术,六.电力电子器件的散热,热流密度可变性。热管可以独立改变蒸发段或冷却段的传热面积，即以较小的传热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量。亦即，可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。,热流方向酌可逆性。一根水平放置的热管，由于其内部循环动力是靠毛细力作用任意一端受热都可作为蒸发段，另一端向外散热成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置。,6.热管技术,2.电力电子器件,热二极管与热开关性能。热管可做成热二极管只允许热流向一个方向流动，不允许向相反方向流动。,当温度低於工作液的冰点或导热量超过热管的导热极限时，热管无法作用。换句话说，热管仅在一定温度范围内起作用，此范围之外热管会终止传热作用。因此，当热源温度高于(低于)某值时，热管开始工作传热；热源温度低于(高于)某值时，热管就不工作传热,犹如自动开关一般热开关。热管的这种功能多用于一些自动控制和低温(Cryogenic)仪器中。,热管採用不同的毛细物具有不同的导热极限，通常粗鬆毛细物具有较低导热极限，细密毛细物具有较高导热极限。若将粗鬆和细密两种毛细物分别置於一个热管的两端，则加热细密毛细物所在一端时，热管导热量很大。而加热粗鬆毛细物所在一端时，热管受导热极限限制，导热量较前者会小很多。设细密毛细物所在一端为甲端，粗鬆毛细物所在一端为乙端。若甲端在高温内、乙端在低温内时，热量可有效地从甲端传至乙端。反之，若乙端在高温内而甲端在低温内时，乙端因导热极限限制，热量无法有效地传至甲端。亦即：热由甲端传至乙端易，由乙端传至甲端难，作用类似二极管热二极管。热管的这种功能多用于一些太空仪器、低温仪器中。,6.热管技术,对环境的灵活适应性。热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等。可用於230oC的低温仪器中，也可用於高达1500oC的液态金属反应炉中。还可做成分离式，以适应长距离或热流体不能混合情况下的换热散热界百变王子。,此外,由于应用毛细现象,热管内部的流体可以不藉外力作用而循环不息,使热管既可以用于地面(重力场)，也可用于太空失重条件(无重力场)。早在1965年秋,美国太空总署发射的探险者36号测地卫星上应用热管作为传热装置，在2个多月卫星运行中，热管作用稳定可靠热管在太空上应用完全成功。,(4)热管分类：热管用途、种类和形式较多，再加上热管在结构、材质和工作液等方面的差异，对热管分类很多，常用的分类有以下几种：,六.电力电子器件的散热,6.热管技术,按照热管管内工作温度区分，热管可分为：低温热管(2730)、常温热管(0250)、中温热管(250450)、高温热管(4501000)等。按照工作液回流动力区分，热管可分为：有芯热管、两相闭式热虹吸管(又称重力热管)、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等。按管壳与工作液体的组合方式划分(一种习惯的划分方法)可分为：铜水热管、碳钢水热管、铜钢复合水热管、铝丙酮热管、碳钢萘热管(萘:一种结晶状芳香烃naphthalene,分子式C10H8,有特殊气味,可驱虫,常用于制造卫生球等)、不锈钢钠热管等。按结构形式区分可分为：普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等。按热管的功用划分可分为：传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管