电力电子器件综述.doc

电力电子器件综述电力电子器件是电力电子技术的基础和核心。电力电子技术的不断拓扑和发展都是围绕着各种新型电力电子器件的诞生和完善进行的。“一代电力电子器件带动一代电力电子技术应用”是业界人士普遍的共识，可见其重要。电力电子技术就是一种采用电力电子器件进行功率变换和控制的技术。由于电力电子学是以电力（Power）为对象的电子学，因此电力电子器件与微电子器件的区别是“服务对象”不同而导致其功能不同，但都是以半导体材料为基板制作成的电子器件。电力电子技术的特征是高效和节能，这主要是电力电子器件一般工作在较理想的开关状态，其特点是：导通时压降很低；关断时漏电流很低。由此可以知道器件本身的功耗与它所控制的功率相比是非常小的，一般可以忽略不计。1 电力电子器件发展过程做电力电子器件所用的材料有锗、硅和碳化硅。锗在上世纪70年代已经基本不用了，目前绝大部分电力电子器件是采用硅材料做出的。碳化硅是一种潜力较大的电力电子器件材料，目前正在发展之中。电力电子器件有近60年的历史，比起一些传统产业，如发电、电机、机床等行业还是比较“年轻”。但它的发展速度很快，在一些具有里程碑意义的电力电子器件诞生之后，在自动化、传感电子和信息技术的配合下，在工业界掀起了一场又一场的“革命”。可以说是电力电子器件带着电力电子技术走进了千家万户，走进了国民经济的许多领域。 在半导体器件出现以前，电子器件主要是真空管和离子管等。1902年Hewitt发明了玻壳汞弧整流二极管；1911年Scohafer发展为铁壳汞弧整流二极管。由于Langmuir发表了等离子理论，导致Holl在1929年发明了热阴极三极放电管。1948年，在美国贝尔实验室诞生了世界上第一个锗晶体管，开创了半导体器件的新纪元。半导体器件无需灯丝加热，其损耗极低，寿命远远高于电子管。1956年贝尔实验室发表了有关信号电平用的pnpn型开关。1958年，着眼于电力应用的美国通用电气（GE）公司率先研制出世界上第一个可控硅整流元件（SCR_Silicon Controlled Rectifier）。此后，人们将这种四层pn结和三端结构的半导体器件称为晶体闸流管（Thyristor），简称晶闸管。晶闸管是电力电子器件中的代表性器件，到目前为至，已有数百种不同结构的电力电子器件。由于器件结构的变化，导致了器件的外特性不尽相同，而电力电子应用工程师们将它们巧妙地用在了不同的工业控制装置中，使得这些装置广泛应用在不同的工业领域，促进和推动了国民经济的发展。 随着晶闸管的出现，电子学进入了强电领域，并显示出它的强劲的生命力。在上世纪70年代初期，晶闸管基本取代了维护困难的汞弧管。上世纪七十年代是晶闸管统治电力电子器件的全盛时代，到了八十年代，晶闸管的发展已完全成熟。而九十年代，作为中小功率用的逆变器件，逐步让位于工作频率较高的门极可关断晶闸管(GTO)、大功率晶体管（GTR）、功率金属氧化物半导体场效应晶体管（功率MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等，当然，还有SIT、SITH、MCT等器件也出现在人们面前。在许多传统的相控整流领域，开始逐步被开关整流所取代。但在大功率范畴，双极性器件仍明显占主导地位。由于电力电子技术的应用领域不断拓展和深入，对电力电子器件的性能有了新的要求，这样一些新型电力电子器件不断涌现。这些器件有的是在GTO、功率MOSFET 、IGBT的基础上对内部结构进行一定的改良，有的是将电力电子器件与其他器件或电路进行物理上的组合，如：集成门极换向晶闸管（IGCT）、电子注入增强栅晶体管（IEGT）、集成电力电子模块（IPM）、电力电子组合模块(PEBB)等。2 电力电子器件的几个重要概念电力电子器件是一种大功率的半导体器件，它的基本工作原理与其他半导体类似，都基于半导体物理，如载流子的工作机理、空间电荷区、能级理论等。但是电力电子器件一般是工作在大电流和高电压下，因此就会有一系列特殊的物理过程和性能，这些性能对电力电子器件的拓扑和演变是非常重要的，下面简单介绍几个重要概念。双极型器件和单极型器件 依靠多数载流子和少数载流子（电子和空穴）同时进行导电的半导体器件称为双极型器件，像普通整流管、普通晶闸管、快速晶闸管、GTO、IGCT、IGBT等等。仅依靠多数载流子（电子或空穴）进行导电的半导体器件称为单极型器件，如功率MOSFET和静态感应型等电力电子器件。由于单极型器件没有少子参与导电，因此在器件关断期间没有少子的恢复过程，所以单极型器件的开关速度远远高于双极型器件。但是单极型器件没有像双极型器件具有电导调制作用，因此通态压降较大，电流密度较小。一般情况下，通态电流在100A以上，电压在600V以上，就是双极型电力电子器件的天下了。空间电荷区 在一块半导体中，如果一部分是N型半导体，一部分是P型半导体，那么他们的交界面，就叫PN结。在PN结两侧的电子和空穴的浓度梯度是不同的，因此发生了相互扩散。扩散结果，就在PN结两侧的形成一个带相等正、负电荷的区域，我们称这个区域为空间电荷区。空间电荷区中的载流子浓度和电荷区的宽度将随外加电压的大小会产生变化。空间电荷区就像一堵“墙”，墙越厚，则器件的耐压就越高。少子寿命 半导体分为N型半导体和P型半导体。一般定义为依靠电子导电的半导体称为N型半导体；而依靠空穴导电的半导体称为P型半导体。在N型半导体中虽电子为多数载流子（多子），但也存在少量空穴，我们称这些少量的载流子为少子；同理，在P型半导体中，电子为少子。在任何时候，电子和空穴总是在不断地产生和复合。产生率和复合率相等，则为热平衡。一旦外界打破这种热平衡，如外加电压、光照等，则载流子的数量要高于在热平衡状态下的数量。如果外界因素消失，则载流子则经过一段复合的时间又恢复到热平衡状态，这段时间我们称恢复时间，少子寿命是描述少数载流子恢复时间的一个重要参数。半导体中的少子寿命是可以人为控制的，对于不同用途的电力电子器件，它的少子寿命不同。少子寿命越短，器件的开关速度越快，像GTO、IGCT等，开关速度比普通晶闸管要快的多。电导调制电导调制作用是双极型晶闸管类电力电子器件所独有的工作机理，它的好处使通态电压降低。在器件导通后，P区的空穴和N区的电子大量涌入基区，这使基区的载流子浓度大大增加，基区的导电能力大大提高，即基区电阻率大大降低了，也就是说基区的电导被调制了。当器件电压提高，所需的硅片电阻率和厚度就要增加，通态压降也就随之增加。有了电导调制效应，器件的正向压降就不会增加太多。3 电力电子器件的种类我们知道，如果按大的方面来对电力电子器件来分类，可分为双极型器件和单极型器件；如果按PN结的数量来分，可分为整流管类（1个PN结）、晶体管类（2个PN结）、晶闸管类（3个PN结）；如果按器件关断的方式来分，可分为强制关断器件类和自关断器件类；如果按封装形式来分，有单管、双管、多管、混合，模块、组件等类别，如果按不同时间出现的不同，可分类为第一代、第二代、第三代等。由于电力电子器件品种繁多，分类的方式也有许多种。虽然电力电子器件种类繁多，但常用的器件不太多，有普通整流管、快速整流管、快恢复二极管、功率肖特基势垒二极管、普通晶闸管、快速晶闸管、逆导晶闸管、不对称晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、GTO、（IGCT）、IGBT、功率MOSFET、功率集成电路（PIC）、高压集成电路（HVIC）、智能功率模块(IPM)、智能功率集成电路（SPIC）等。4 电力电子器件的应用领域电力电子器件以核心器件的形式应用在电力电子装置或设备中。电力电子设备种类繁多，随着电力电子器件的创新发展和其控制方法的不断涌现，也将不断推出更多的新型电力电子装置。从电路角度可分为以下几个方面：如果按应用领域来划分，则可分为七个领域：1）电源类：电源是工业领域一种基础装备，不同的应用场合或对电源的要求不同，有许多种类，如电解电源、电镀电源、电焊机电源、高、中频加热电源、开关电源、不间断电源等。而这些电源中又有不同的种类，其中开关电源是目前应用最为广泛的一种。2）电机传动类：这种类型分直流电机传动和交流电机传动两大类，随着新型电力电子器件和控制技术的不断创新，电机传动分为从纳米领域中微型电机到几万千瓦的特大电机，均可用电力电子技术进行控制。电机量大面广，其电力电子器件的应用空间无可限量。3）交流电力控制器类：晶闸管交流电力控制器主要应用于自动控制系统，是信息处理控制中心与交流负载之间的接口。交流电力控制器有三种类型：采用移相脉冲触发方式的交流调压控制器、采用过零脉冲触发方式的交流调功器、采用随机或过零触发的电力电子开关。晶闸管交流电力控制器的效率一般可达99，节能效果显著。 4）高压直流输电（HVDC）类：以电力电子器件为核心部件的变流器是高压直流输电的关键设备之一。高压直流输电是对远距离大容量输电和电网联网一种极为优越的方式，它的优点是：系统的静态、动态稳定性好、可简便迅速调整电流的大小和方向、线路损耗小于交流输电、联网时对两侧电网有隔离作用等。目前我国高压直流输电是世界上发展最快，应用最多的国家，可预测在未来的20年后，我国高压直流输电技术水平也将在世界上是最高的。5）无功功率补偿类： 大型负载的剧变将使电网产生电压波动和闪变，因此无功功率补偿不仅是为了改善功率因数，还要考虑尽量减少电压波动和闪变。采用电力电子器件的无功功率补偿装置已经比较成熟，它和电容器、电抗器一起建立不同的投切组合来完成静态和动态的无功功率补偿功能。6）日用电器和便携式电器类：功率MOSFET的出现，大大拓宽了电力电子技术在日用电器和便携式电器应用领域。电力电子技术渗透到空调、冰箱、照明、膝上式或笔记本计算机，移动电话、DVD机等日用电器中，有的可进行无级调节，有的可延长使用时间。单个日用电器和便携式电器虽然用电不多，但因为量大，其节电效果是非常可观的，绿色照明也是电力电子技术的一个亮点。7）汽车电子类：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，有许多部份都要用到半导体器件。例如发动机控制单元(占功率半导体器件在汽车电子市场中的40%左右)：包括燃油注入控制、点火控制、变速器等等。舒适用部件(约占25%)：包括动力驾驶盘、动力窗、动力门销、照明控制、空调、音响等等。安全及保护用部件(约占25-30%)。将来的汽车中，每辆汽车可用到高达二百个电力电子器件，可见其市场之大。 5 电力电子器件与节能 电力电子器件通常工作在较理想的开关状态，将耗能降低到最低限度。电力电子装置中主电路均采用电力电子器件，其效率较高（大于85，一般在90以上）。电力电子技术是一种节能技术，这主要由于电力电子器件本身的工作机理所决定的。我们知道，工频（5060Hz）是发电的最佳频率，但它不是用电的最佳频率。如果电源频率提高，磁路截面积可以减小，从而电机体积减小，重量减轻。这种效果对诸如变压器、电抗器、镇流器等各种电磁元件都是适用的。为此，新型电力电子器件向高频发展，这些均称之为“高频器件”。如GTO、IGCT工作在6001500Hz；IGBT工作在150kHz；功率MOSFET可以工作在201000kHz。一般来说，电力电子器件工作频率提高一个数量级，则用电设备的体积缩小到原来的一半。由于人的听觉最高频率为20kHz，因此将设备的频率超过这一频率，将会减少噪音，所以也有人说这是“20千周革命”。因此电力电子器件的高频化是目前最为突出的发展趋势。电力电子器件的发展，使电力电子设备达到节省能量、节省资源、节省人力。因此，电力电子器件要尽量降低自身的功耗，提高工作频率，要发展复合型、大容量和模块化，使电力电子设备结构简单，可靠性提高，减少损耗，提高效率。6 电力电子器件与微电子器件 电力电子学（Power Electronics）和微电子学（Micro Electronics）构成了电子学的主要内容。狭义的讲，前者以研究电力的控制和传输为重点，后者则是以信号的采集和处理为重点。这种历史的分野，导致了自电子学诞生后两个方向的发展，随之也就出现了两个电子技术的应用领域。随着科学技术的不断发展和应用领域的相互渗透，电力电子技术和微电子技术充分发挥个自的特长，将两者融合，这在新型电力电子器件上表现的淋漓尽致。电力电子学与信息电子学在技术上主要不同点是功效问题。对信息处理用的低电平电路很少要求效率超过15%。而电力电子技术中的功率电路却不能容忍其效率低于85%。因此可以说，要求高的效率，是电力电子技术的主要特征之一。为了提高效率，器件必须采用开关的工作方式。因为作为开关而言，导通时几乎不消耗能量(压降小)，关断时也因为漏电流很小而几乎不消耗能量。这样一种近于理想的开关就是电力电子器件。电力电子器件作为电力电子技术的核心部件的原因也即在此。 随着电力电子器件的工作频率正在不断的扩大，微电子器件的工艺也逐步引入电力电子器件工艺，如离子注入、外延、精密光刻、介质保护，封装形式等。有的器件，如IGBT和功率MOSFET的全部工艺在IC生产线上进行，只是在最后的终端保护上采取一些特殊措施。随着功率集成技术的迅速发展，集成电路已出现了一个新的分支高压集成电路 (HVIC) 或功率集成电路 (Power IC)。 它使计算机的输出获