電力電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀和展望ppt課件

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電力電子器件的發(fā)展 現(xiàn)狀和展望 1 電力電子器件的發(fā)展 現(xiàn)狀和展望 1 電力電子器件的發(fā)展2 電力電子器件的現(xiàn)狀3 電力電子器件發(fā)展展望 2 1 電力電子器件的發(fā)展史 3 電力電子器件的發(fā)展對電力電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用 因此 電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的 電力電子器件的發(fā)展 可分為以下四個(gè)階段 第一階段是以整流管 晶閘管為代表的發(fā)展階段 這一階段的電力電子器件在低頻 大功率變流領(lǐng)域中的應(yīng)用占有優(yōu)勢 取代了早先的汞弧整流器 1947年美國著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管 功率二極管開始應(yīng)用于電力領(lǐng)域 1956年貝爾實(shí)驗(yàn)室又發(fā)明了晶閘管 1957年美國通用電氣公司開發(fā)出世界上第一只晶閘管器件 開創(chuàng)了傳統(tǒng)的電力電子器件應(yīng)用技術(shù)階段 實(shí)現(xiàn)了弱電對強(qiáng)電的控制 在工業(yè)界引起了一場技術(shù)革命 晶閘管的迅速發(fā)展使得中大功率的各種變流裝置和電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)得到了快速發(fā)展 但關(guān)斷這些器件的控制電路存在體積大 效率低 可靠性差 工作頻率低以及電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載上諧波嚴(yán)重等缺點(diǎn) 在晶閘管出現(xiàn)前 用于電力變換的電子技術(shù)就已經(jīng)存在 稱作電力電子技術(shù)的是前期或黎明期 4 第二階段是20世紀(jì)70年代后期以GTO GTR和功率MOSFET等全控型器件為代表的發(fā)展階段 這一階段的電力電子器件開關(guān)速度高于晶閘管 它們的應(yīng)用使變流器的高頻化得以實(shí)現(xiàn) 第三階段是20世紀(jì)80年代后期以IGBT復(fù)合型器件為代表的發(fā)展階段 IGBT是功率MOSFET和GTR的復(fù)合 功率MOSFET的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)功率小 開關(guān)速度快 GTR的特點(diǎn)是通態(tài)壓降小 載流能力大 IGBT的優(yōu)越性能使之成為電力電子器件應(yīng)用技術(shù)的主導(dǎo)器件 第四階段是以PIC HVIC等功率集成電路為代表的發(fā)展階段 高速 全控型 大電流 集成化和多功能的電力電子器件先后問世 開創(chuàng)了現(xiàn)代電力電子集成器件的新階段 這一階段 所使用的電力電子器件是將全控型電力電子器件與驅(qū)動(dòng)電路 控制電路 傳感電路 保護(hù)電路 邏輯電路等集成在一起的高度智能化PIC 它實(shí)現(xiàn)了器件與電路 強(qiáng)電與弱電 功率流與信息流的集成 成為機(jī)和電之間的智能化接口 機(jī)電一體化的基礎(chǔ)單元 5 1904 1930 1947 1957 1970 1980 1990 2000 t 年 6 2 電力電子器件的現(xiàn)狀 7 電力電子器件發(fā)展現(xiàn)狀 在整流管類中 快速恢復(fù)二極管將有較大的發(fā)展在高壓直流輸電中 晶閘管 光控晶閘管 將有很好的發(fā)展機(jī)遇 在功率晶體管類中 以IGBT發(fā)展最為迅速 8 電力電子器件中 絕緣柵型雙極性晶體管IGBT是研發(fā)時(shí)間較短的產(chǎn)品之一 它的特點(diǎn)是輸入阻抗較大而驅(qū)動(dòng)功率較小 且開關(guān)損耗低 工作頻率高 IGBT一經(jīng)問世就獲得了使用者的認(rèn)可 有著非常巨大的發(fā)展空間 電力電子器件的最新產(chǎn)品是在GTO基礎(chǔ)上發(fā)展起來IGCT 這種電力電子器件也被稱為是集成門極換流晶閘管或發(fā)射極關(guān)斷晶閘管 它具備瞬間開關(guān)頻率高 開關(guān)時(shí)間短 阻斷電壓高等特點(diǎn) 也具有極大的發(fā)展?jié)摿?功率MOSFET由于其工作頻率高 功耗低且使用方便的特點(diǎn) 幾乎所有數(shù)字控制的電子產(chǎn)品都用到功率MOSFET 前幾年 這種產(chǎn)品義向電路集成方向發(fā)展 將IC 電力電子器件和外圍電路全部集成在一個(gè)芯片或一個(gè)較小的體積內(nèi)組成各種功能模塊 是各種電源 接口電路 功率輸出電路的必用基礎(chǔ)性元件特別是計(jì)算機(jī)控制的設(shè)備 更離不開這些不斷翻新的功能模塊 其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛 目前我國生產(chǎn)的電力電子器件主要工作在工頻和中頻 50Hz一8kHz 9 功率MOSFET與IGBT在應(yīng)用范圍上比較廣泛 而這合理分工 前者主要應(yīng)用干小功率 后者應(yīng)用于中 大功率 IGBT 功率MOSFET的工作頻率較高 8kHz一IMHz 其設(shè)備的體積大為縮小 頻率提高一個(gè)數(shù)量級 體積大約減少一倍 因此在對體積要求比較高的航天航空 國防和掌上電器中應(yīng)用的優(yōu)越性愈加突出 由于這些器件本身功耗越做越小 下作時(shí)間增加 節(jié)能效果明顯許多 鑒于這些高頻電力電子器件在工業(yè)領(lǐng)域的突出作用 西方國家多年來一直加大力度發(fā)展 而我國卻舉步為艱 IGBT 功率MOSFET全部依賴進(jìn)口 在競爭上受外國跨國公司的擠壓 使采用這些電力電子器件的產(chǎn)品永遠(yuǎn)比國外慢一步或多步 受制于國外跨國公司 對我國許多高新產(chǎn)品的研發(fā)和安全造成了嚴(yán)重影響 10 3 電力電子器件的發(fā)展展望 11 3 1技術(shù)發(fā)展趨勢電力半導(dǎo)體器件的改進(jìn)在于使電壓 電流和開關(guān)頻率三大參數(shù)日益提高 并使其達(dá)到最佳匹配 為了實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件參數(shù)的提高 應(yīng)對其制造技術(shù)進(jìn)行不斷創(chuàng)新和發(fā)展 以近年來發(fā)展最快的IGBT為例 通過近20年的發(fā)展 IGBT不但具有了抗短路能力 消除了 二次擊穿 現(xiàn)象和電流擎住現(xiàn)象 而且在導(dǎo)通壓降的降低 柵極電荷的減小 開關(guān)速度的提高和開關(guān)損耗的減小等各個(gè)方面都取得了巨大進(jìn)步 極大地提高了IGBT的性能 在這近20年中 IGBT經(jīng)歷了5代的發(fā)展歷程 第1代 平面穿通型 P PT 第2代 改進(jìn)的平面穿通型 P PT 第3代 溝槽型 Trench 第4代 非穿通型 NPT 第5代 電場截止性 FS 其中 第5代在第三代的基礎(chǔ)上通過一系列先進(jìn)的技術(shù) 使得器件的通態(tài)損耗接近雙極型器件的水平 12 溝槽結(jié)構(gòu)IGBT是高耐壓大電流IGBT器件通常采用的結(jié)構(gòu) 它避免了模塊內(nèi)部大量的電極引線 減小了引線電感 提高了可靠性 從IGBT的發(fā)展過程可以看出 在結(jié)構(gòu)上 器件將復(fù)合型 模塊化 在性能上 器件的容量和工作頻率將不斷提高 通態(tài)壓降不斷降低 未來電力半導(dǎo)體器件將主要從理論 結(jié)構(gòu)和工藝等方面進(jìn)行創(chuàng)新 最終實(shí)現(xiàn)電壓 電流和開關(guān)頻率三大參數(shù)的日益提高 3 2基于新型材料的電力電子器件以上所述各種電力電子器件一般都是由硅 Si 半導(dǎo)體材料制成的 此外 近年來還出現(xiàn)了一些性能優(yōu)良的新型化合物半導(dǎo)體材料 如砷化鎵 GaAs 碳化硅 SiC 磷化銦 InP 及鍺化硅 SiGe 等 由它們作為基礎(chǔ)材料制成的電力電子器件正不斷涌現(xiàn)出來 13 碳化硅 SiC 是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料 與其他半導(dǎo)體材料相比具有高禁帶寬度 高飽和電子漂移速度 高擊穿強(qiáng)度 低介電常數(shù)和高熱導(dǎo)率的物理特點(diǎn) 其工作溫度可達(dá)600 結(jié)耐壓易于達(dá)到 5kv 10kv 漏電流特別小 即使高耐壓的SiC場效應(yīng)管的導(dǎo)通壓降 也比雙極型硅器件低 而且 SiC器件的開關(guān)時(shí)間可達(dá)10ns級 因此 碳化硅在高溫 高頻率 高功率的應(yīng)用場合是極為理想的材料 SiC器件的研發(fā)將成為未來的一個(gè)主要趨勢 但是 由于碳化硅器件的發(fā)展速度受到碳化硅材料完整性的制約 而且在SiC材料和功率器件的機(jī)理 理論和制造工藝等方面 還有大量問題有待解決 功率碳化硅器件要得到普遍應(yīng)用 估計(jì)還要 5年到10年的時(shí)間 砷化鎵材料 GaAs 也是一種很有發(fā)展前景的半導(dǎo)體材料 與Si材料相比 GaAs禁帶寬度能量較高 其電子遷移率是Si材料的5倍 因此 GaAs元件具有很好的耐高溫特性 有利于模塊小型化 從而可減小寄生電容 提高開關(guān)頻率 但由于GaAs材料禁帶寬度大 故正向壓降比較大 14 磷化銦材料 InP 是一種 族化合物半導(dǎo)體材料 它具有更高的擊穿電場 更高的熱導(dǎo)率 高場下更高的電子平均速度 可作為高速 高頻微波器件的材料 頻率可340GHz 以硅器件為基礎(chǔ)的電力電子器件開關(guān)性能已隨其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的不斷完善而接近由材料特性決定的理論極限 依靠新材料滿足新一代電力電子裝置與系統(tǒng)對器件性能的更高要求是未來電力電子器件發(fā)展的一個(gè)主要趨勢 15 參考文獻(xiàn) 1 王兆安 黃俊 電力電子技術(shù) 第4版 西安交通大學(xué)出版 2 錢照明 何湘寧 電力電子技術(shù)最新發(fā)展 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào) 1997 6 3 電力電子器件發(fā)展綜述 中國電工技術(shù)學(xué)會電力電子學(xué)會第九屆年會論文集 4 國營777總廠IGBT國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及技術(shù)動(dòng)向 電力電子分會第六次年會論文集 1998 9 5 蔣超 陳海民 電力電子器件發(fā)展概況及應(yīng)用現(xiàn)狀 世界電子元器件 2004 6 肖元真 郭小鷹 劉叢生 電力電子技術(shù)和器件的發(fā)展現(xiàn)狀及其走勢 電力電子自動(dòng)化 1994 7 趙定遠(yuǎn) 趙莉華 現(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展 成都大學(xué)學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 2 7 8 我國發(fā)展新型電力電子器件的必要性 西安電力電子技術(shù)研究所 16 17