电力电子专题

电力电子器件的发展及其功率集成电力电子器件的发展及其功率集成1.电力电子器件的历史及发展2.电力电子器件的现状3.电力电子器件发展展望1.电力电子器件的历史及发展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。晶闸管问世IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生2.电力电子器件的现状2.电力电子器件的现状发展历程电力电子器件（PowerElectronicDevice）又称为功率半导体器件，是应用于电力设备的电能变换和控制电路方面的大功率电子器件。1958年美国通用电气（GE）公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命。在上世纪五十到六十年代，微电子的基本技术得到了完善，功率晶体管和晶闸管主导了电能变换的应用。从七十年代到九十年代，功率MOS技术得到了迅速发展并在很大程度上取代了功率晶体管，并研发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管以及单极型MOS功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。九十年代初以后，主要的研发力量集中在对IGBT器件性能的提高和完善。到了本世纪初，很多公司已经拥有了趋于完美的IGBT技术，产品的电压覆盖300V到6.5kV范围。主要器件的研究现状二极管是电力电子器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件，目前应运用与电力电子场合的功率型二极管主要有普通二极管、快恢复晶闸管和肖特基二极管等三种主要类型。目前的研制水平为:普通二极管（8000V/5000A/400Hz）快恢复二极管（6000V/1200A/1000Hz）肖特基二极管（1000V/100A/200kHz）。图2-1电力二极管晶闸管普通晶闸管广泛应用于交直流调速、调光、调温等低频（400Hz以下）领域，目前水平为12kV/1kA和6500V/4000A。图2-2晶闸管双向晶闸管可视为一对反并联的普通晶闸管的集成，常用于交流调压和调功电路中。其水平已超过2000V/500A。光控晶闸管是通过光信号控制晶闸管触发导通的器件，它具有很强的抗干扰能力、良好的高压绝缘性能和较高的瞬时过电压承受能力，因而被应用于高压直流输电、静止无功功率补偿等领域。其研制水平为8000V/3600A。非对称晶闸管具有关断时间短、正向压降小、额定结温高、高温特性好等优点，主要用于逆变器和整流器中。其研制水平为3000V/900A。门极可关断晶闸管（GTO）GTO在当前各种自关断器件中容量最大，但其工作频率最低，在大功率电力牵引驱动中有明显的优势，在中压、大容量领域中占有一席之地9kV/2.5kA/0.8kHZ及6kV/6kA/1kHZ为现在的研究水平。图2-3门极可关断晶闸管电力晶体管（GTR）GTR系列产品具有组成电路灵活成熟，开关损耗小、开关时间短等特点，在中等容量、中等频率的电路中应用广泛。其额定值已达1.8kV/0.8kA/2kHZ，0.6kV/0.003kA/100kHZ。图2-4电力晶体管电力场效应晶体管（功率MOSFET）功率MOSFET的一个显著特点是高频特性好，工作频率高达100kHz以上，为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合，目前制造水平是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。由于功率MOSFET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。图2-5电力场效应晶体管绝缘栅双极晶体管（IGBT）IGBT的开关速度低于功率MOSFET，却明显高于GTR；IGBT的通态压降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；IGBT的电流、电压等级与GTR接近，而比功率MOSFET高。目前，其研制水平已达4500V/1000A。图2-6绝缘栅双极晶体管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，由于它具有输入阻抗较大而驱动功率较小，且开关损耗低、工作频率高等特点。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。图2-7绝缘栅双极晶体管集成门极换流晶闸管（IGCT)IGCT是新型器件，它是在GTO基础上发展起来的器件，称为集成门极换流晶闸，也被称为发射极关断晶闸管，它具备瞬间开关频率高、开关时间短、阻断电压高等特点，IGCT具有极大的发展潜力。它的瞬时开关频率可达20kHZ。图2-8集成门控换流晶闸管功率MOSFET与IGBT在应用范围上比较广泛，而且合理分工，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，节能效果明显也非常明显。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大多依赖进口，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.电力电子器件的发展方向电力电子器件大致经历了三个发展阶段，提高器件的电流、电压容量是一个贯穿始终的目标;现代电力电子器件的研究和开发，又加入了高频化，标准模块化，集成化和智能化。从理论分析和实验证明电气产品的体积与重量的缩小与供电频率的平方根成反比，也就说，当工频大幅的提高之后，使用这样工频的电气设备的体积与重量就能大大缩小，使电气设备制造节约材料，设备的系统性能亦大为改善。故电力电子器件的高频化是今后电力电子技术创新的主导方向，而硬件结构的标准模块是器件发展的必然趋势。目前先进的模块，已经包括开关元件和与其反向并联的续流二在内及驱动保护电路多个单元，并且可以在一致性与可靠性上达到极高的水平。由于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（P—PT）；第2代,改进的平面穿通型（P—PT)；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。功率集成电路（PIC）PIC是电力电子器件技术与微电子技术相结合的产物，是机电一体化的关键接口元件。将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，就制成了PIC。上世纪七十年代功率集成电路出现，单芯片集成的PIC减少了系统的元件数、互连数和焊点数，不仅提高了系统的可靠性、稳定性，而且减小了系统的功耗、体积、重量和成本，这使得PIC马上受到大家广泛关注，随后的几十年中都一直是功率电子学界的研究热点。但由于当时的功率器件主要为双极型晶体管、GTO等，功率器件所需的驱动电流大，驱动和保护电路复杂，在七十年代PIC的研究并未取得实质性进展。上世纪八十年代，功率MOSFET,IGBT等具有MOS栅控制、高输入阻抗、低驱动功耗、容易保护等特点的新型MOS类功率器件出现，这使得驱动电路大为简化，迅速带动了PIC的发展，但复杂的系统设计和昂贵的工艺成本仍旧限制了PIC的应用。进入九十年代后，PIC的设计与工艺水平不断提高，性能价格比也随之上升，PIC逐步进入了实用阶段[3]。我国是全球最大的消费类电子商品市场和生产基地，随着功率集成电路的发展，功率集成电路已被广泛应用于开关电源、电机驱动、工业控制、汽车电子、日常照明和家用电器等方面。自1981年美国试制出第一个PIC以来，PIC技术获得了快速发展。今后，PIC必将朝着高压化、智能化的方向更快发展并进入普遍实用阶段。习惯上将功率集成电路分为高压功率集成电路(HVIC),智能功率集成电路(SPIC)和智能功率模块(IPM)。HVIC是多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路在单片上的集成，由于它的功率器件是横向的、电流容量较小，而控制电路的电流密度较大，故常用于小型电机驱动、平板显示驱动及长途电话通信电路等高电压、小电流场合。SPIC是由一个或几个纵型结构的功率器件与控制和保护电路集成而成，电流容量大而耐压能力差，适合作为电机驱动、汽车功率开关及调压器等。近年来随着PIC的不断发展，高压集成电路（HVIC)和智能功率集成电路（SPIC）在工作电压和器件结构上(纵向或横向)都很难区分，因此习惯于把它们统称为功率集成电路。图3-1高压功率集成电路(HVIC)图3-2智能功率集成电路(SPIC)智能功率模块(IPM)除了集成功率器件和驱动电