电力电子器件的发展、现状和展望.ppt

电力电子器件的发展、现状和展望,电力电子器件的发展、现状和展望,1.电力电子器件的发展2.电力电子器件的现状3.电力电子器件发展展望,1.电力电子器件的发展史,电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用。因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。电力电子器件的发展可分为以下四个阶段：第一阶段是以整流管、晶闸管为代表的发展阶段。这一阶段的电力电子器件在低频、大功率变流领域中的应用占有优势取代了早先的汞弧整流器。1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，功率二极管开始应用于电力领域，1956年贝尔实验室又发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司开发出世界上第一只晶闸管器件。开创了传统的电力电子器件应用技术阶段实现了弱电对强电的控制，在工业界引起了一场技术革命。晶闸管的迅速发展使得中大功率的各种变流装置和电动机传动系统得到了快速发展。但关断这些器件的控制电路存在体积大、效率低、可靠性差、工作频率低以及电网侧和负载上谐波严重等缺点。（在晶闸管出现前，用于电力变换的电子技术就已经存在，称作电力电子技术的是前期或黎明期）。,第二阶段是20世纪70年代后期以GTO、GTR和功率MOSFET等全控型器件为代表的发展阶段。这一阶段的电力电子器件开关速度高于晶闸管，它们的应用使变流器的高频化得以实现。第三阶段是20世纪80年代后期以IGBT复合型器件为代表的发展阶段。IGBT是功率MOSFET和GTR的复合。功率MOSFET的特点是驱动功率小、开关速度快；GTR的特点是通态压降小、载流能力大。IGBT的优越性能使之成为电力电子器件应用技术的主导器件。第四阶段是以PIC、HVIC等功率集成电路为代表的发展阶段。高速、全控型、大电流、集成化和多功能的电力电子器件先后问世，开创了现代电力电子集成器件的新阶段。这一阶段，所使用的电力电子器件是将全控型电力电子器件与驱动电路、控制电路、传感电路、保护电路、逻辑电路等集成在一起的高度智能化PIC，它实现了器件与电路、强电与弱电、功率流与信息流的集成，成为机和电之间的智能化接口、机电一体化的基础单元。,1904,1930,1947,1957,1970,1980,1990,2000,t(年),2.电力电子器件的现状,电力电子器件发展现状,在整流管类中，快速恢复二极管将有较大的发展在高压直流输电中，晶闸管（光控晶闸管）将有很好的发展机遇。在功率晶体管类中，以IGBT发展最为迅速,电力电子器件中，绝缘栅型双极性晶体管IGBT是研发时间较短的产品之一，它的特点是输入阻抗较大而驱动功率较小，且开关损耗低、工作频率高。IGBT一经问世就获得了使用者的认可，有着非常巨大的发展空间。电力电子器件的最新产品是在GTO基础上发展起来IGCT，这种电力电子器件也被称为是集成门极换流晶闸管或发射极关断晶闸管，它具备瞬间开关频率高、开关时间短、阻断电压高等特点，也具有极大的发展潜力。功率MOSFET由于其工作频率高、功耗低且使用方便的特点，几乎所有数字控制的电子产品都用到功率MOSFET。前几年，这种产品义向电路集成方向发展，将IC、电力电子器件和外围电路全部集成在一个芯片或一个较小的体积内组成各种功能模块，是各种电源、接口电路、功率输出电路的必用基础性元件特别是计算机控制的设备，更离不开这些不断翻新的功能模块，其应用范围相当广泛。目前我国生产的电力电子器件主要工作在工频和中频(50Hz一8kHz)。,2019/12/13,10,可编辑,功率MOSFET与IGBT在应用范围上比较广泛，而这合理分工，前者主要应用干小功率，后者应用于中、大功率。IGBT、功率MOSFET的工作频率较高(8kHz一IMHz)，其设备的体积大为缩小(频率提高一个数量级，体积大约减少一倍)。因此在对体积要求比较高的航天航空、国防和掌上电器中应用的优越性愈加突出，由于这些器件本身功耗越做越小，下作时间增加，节能效果明显许多。鉴于这些高频电力电子器件在工业领域的突出作用，西方国家多年来一直加大力度发展，而我国却举步为艰，IGBT、功率MOSFET全部依赖进口，在竞争上受外国跨国公司的挤压，使采用这些电力电子器件的产品永远比国外慢一步或多步，受制于国外跨国公司，对我国许多高新产品的研发和安全造成了严重影响。,3.电力电子器件的发展展望,3.1技术发展趋势电力半导体器件的改进在于使电压、电流和开关频率三大参数日益提高，并使其达到最佳匹配。为了实现半导体器件参数的提高，应对其制造技术进行不断创新和发展。以近年来发展最快的IGBT为例，通过近20年的发展,IGBT不但具有了抗短路能力、消除了“二次击穿”现象和电流擎住现象，而且在导通压降的降低、栅极电荷的减小、开关速度的提高和开关损耗的减小等各个方面都取得了巨大进步，极大地提高了IGBT的性能。在这近20年中，IGBT经历了5代的发展历程：第1代，平面穿通型（PPT）；第2代,改进的平面穿通型（PPT)；第3代,沟槽型（Trench);第4代,非穿通型(NPT);第5代,电场截止性（FS)。其中，第5代在第三代的基础上通过一系列先进的技术，使得器件的通态损耗接近双极型器件的水平。,沟槽结构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。从IGBT的发展过程可以看出：在结构上，器件将复合型、模块化；在性能上，器件的容量和工作频率将不断提高，通态压降不断降低。未来电力半导体器件将主要从理论、结构和工艺等方面进行创新，最终实现电压、电流和开关频率三大参数的日益提高。3.2基于新型材料的电力电子器件以上所述各种电力电子器件一般都是由硅（Si)半导体材料制成的。此外，近年来还出现了一些性能优良的新型化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs)碳化硅（SiC)）、磷化铟（InP)）及锗化硅（SiGe）等，由它们作为基础材料制成的电力电子器件正不断涌现出来。,碳化硅（SiC）是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，与其他半导体材料相比具有高禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿强度、低介电常数和高热导率的物理特点，其工作温度可达600,结耐压易于达到,5kv-10kv,漏电流特别小。即使高耐压的SiC场效应管的导通压降，也比双极型硅器件低。而且，SiC器件的开关时间可达10ns级。因此，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，SiC器件的研发将成为未来的一个主要趋势。但是，由于碳化硅器件的发展速度受到碳化硅材料完整性的制约，而且在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，功率碳化硅器件要得到普遍应用，估计还要,5年到10年的时间。砷化镓材料（GaAs）也是一种很有发展前景的半导体材料。与Si材料相比，GaAs禁带宽度能量较高，其电子迁移率是Si材料的5倍。因此，GaAs元件具有很好的耐高温特性，有利于模块小型化，从而可减小寄生电容，提高开关频率。但由于GaAs材料禁带宽度大，故正向压降比较大。,磷化铟材料（InP）是一种族化合物半导体材料，它具有更高的击穿电场、更高的热导率、高场下更高的电子平均速度，可作为高速、高频微波器件的材料，频率可340GHz。以硅器件为基础的电力电子器件开关性能已随其结构设计和制造工艺的不断完善而接近由材料特性决定的理论极限，依靠新材料满足新一代电力电子装置与系统对器件性能的更高要求是未来电力电子器件发展的一个主要趋势。,参考文献1王兆安、黄俊电力电子技术（第4版）西安交通大学出版2钱照明、何湘宁，电力电子技术最新发展，中国电机工程学报，1997（6）3电力电子器件发展综述，中国电工技术学会电力电子学会第九届年会论文集4国营777总厂IGBT国内外发展状况及技术动向，电力电子分会第六次年会论文集，1998