原创 电源技术:现代电力电子器件的发展与现状

2008-7-28 11:20 1358 0 分类: 消费电子

  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400Hz),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(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PEBB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5~10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。


  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。


“阿库”的表情:http://www.dzsc.com/zuanti/aku/


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