功率变换课程综述(最新版)

1、Hefei University功率变换课程综述课题名称： 功率变换课程综述 姓 名： * 学 号： * 指导教师： 李秀娟老师 完成时间： 2015.5.31 电力电子器件一、电力电子器件发展历史电力电子器件（Power Electronic Device）又称为功率半导体器件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）。20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快，而在电力电子电路中得到广泛应用。70年代初期，已逐步取代了汞弧闸流管。80年代，普通

2、晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向工作电压达数千伏。在此基础上，为适应电力电子技术发展的需要，又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件，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。各种电力电子器件均具有导通和阻断两种工作特性。功率二极管是二端(阴极和阳极)器件，其器件电流由伏安特性决定，除了改变加在二端间的电压外，无法控制其阳极电流，故称不可控器件。普通晶闸管是三端器件，其门极信号能控制元件的导通，但不能控制其关断，称半控型器件。可关断晶闸管、功率晶体管等器件，其门极信号既能控制

3、器件的导通，又能控制其关断，称全控型器件。后两类器件控制灵活，电路简单，开关速度快，广泛应用于整流、逆变、斩波电路中，是电动机调速、发电机励磁、感应加热、电镀、电解电源、直接输电等电力电子装置中的核心部件。这些器件构成装置不仅体积小、工作可靠，而且节能效果十分明显(一般可节电10%40%)。单个电力电子器件能承受的正、反向电压是一定的，能通过的电流大小也是一定的。因此，由单个电力电子器件组成的电力电子装置容量受到限制。所以，在实用中多用几个电力电子器件串联或并联形成组件，其耐压和通流的能力可以成倍地提高，从而可极大地增加电力电子装置的容量。器件串联时，希望各元件能承受同样的正、反向电压；并联时

4、则希望各元件能分担同样的电流。但由于器件的个异性，串、并联时，各器件并不能完全均匀地分担电压和电流。所以，在电力电子器件串联时，要采取均压措施；在并联时，要采取均流措施。电力电子器件工作时，会因功率损耗引起器件发热、升温。器件温度过高将缩短寿命，甚至烧毁，这是限制电力电子器件电流、电压容量的主要原因。为此，必须考虑器件的冷却问题。常用冷却方式有自冷式、风冷式、液冷式(包括油冷式、水冷式)和蒸发冷却式等。二、电力电子器件的分类1、按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度分类：(1).半控型器件，例如晶闸管；(2).全控型器件，例如GTO（门极可关断晶闸管）、GTR（电力晶体管），MOSFE

5、T（电力场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）；(3).不可控器件，例如电力二极管；2、按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分类：(1).电压驱动型器件，例如IGBT、MOSFET、SITH（静电感应晶闸管）；(2).电流驱动型器件，例如晶闸管、GTO、GTR；3、根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的有效信号波形分类：(1).脉冲触发型，例如晶闸管、GTO；(2).电子控制型，例如GTR、MOSFET、IGBT；4、按照电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分类：(1).双极型器件，例如电力二极管、晶闸管、GTO、GTR；(2).单极型器件，例

6、如MOSFET、SIT；(3).复合型器件，例如MCT（MOS控制晶闸管）和IGBT；三、各种电力电子器件的优缺点1、电力二极管：结构和原理简单，工作可靠；2、晶闸管：承受电压和电流容量在所有器件中最高3、IGBT：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点：开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTO4、GTR：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题5、GTO：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺

7、点：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低6、MOSFET：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题；缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。制约因素：耐压，电流容量，开关的速度。而且目前对电力电子装置的保护措施及其参数设计在很多方面是凭经验进行的，现有的电力电子理论还严重不足，在现行的电力电子电路分析方法中存在下列需要解决的问题一般分析时只考虑电力电子器件的理想开关状态，以及开关器件切换后电路的稳态波形。在一般拓扑研究和设计中这样做是够的，但是，要确保装

8、置实际运行时的可靠性就不行了，还须考虑实际的开关过程，须建立器件在开关过程中的仿真模型。四、电力电子器件、设备和系统发展趋势应用技术高频化（20kHz以上）、硬件结构集成模块化（单片集成模块、混合集成模块）、软件控制数字化和产品性能绿色化（无电磁干扰和对电网无污染）是当前电力电子新技术产品的四大发展方向。（一）电力电子器件发展趋势高频化、集成化、标准模块化和智能化是电力电子器件未来的主要发展方向。（1）随着电力电子技术应用的不断发展，对电力电子器件性能指标和可靠性的要求也日益苛刻。具体而言，要求电力电子器件具有更大的电流密度、更高的工作温度、更强的散热能力、更高的工作电压、更低的通态压降、更快

9、的开关时间，而对于航天和军事应用，还要求有更强的抗辐射能力和抗振动冲击能力。特别是航天、航空、舰船、输变电、机车、装甲车辆等使用条件恶劣的应用领域，以上要求更为迫切。（2）未来几年中，尽管以硅为半导体材料的双极功率器件和场控功率器件已趋于成熟，但是各种新结构和新工艺的引入，仍可使其性能得到进一步提高和改善，Coolmos、各种改进型IGBT和IGCT均有相当的生命力和竞争力。（3）电力电子器件的智能化应用也在不断研究中取得了实质成果。一些国外制造企业已经开发出了相应的IPM智能化功率模块，结构简单、功能齐全、运行可靠性高，并具有自诊断和保护的功能。（4）新型高频器件碳化硅和氮化镓器件正在迅速发

10、展，一些器件有望在不远的将来实现商品化。但由于材料和制造工艺方面的问题，还需要大量的研究投入和时间才能逐步解决。（二）电力电子设备和系统发展趋势由于环境、能源、社会和高效化的要求，电力电子设备和系统正朝着应用技术高频化、智能化、全数字控制、系统化及绿色化方向发展。 （1）在未来一段时间内，以各种电力半导体器件为主功率器件的电力电子设备和系统将展开竞争且共同发展。晶闸管及其派生器件仍将垄断特大功率领域。 （2）以IGBT为主功率器件的整流器和逆变器可提高效率、减小噪声，减轻设备的重量、减少体积，将广泛应用于工业（电机变频、电焊机，工业加热，电镀电源、贮能装置等）、家用电器（电磁炉，商用电磁炉，变

11、频空调，变频冰箱等）和新能源等方面（风力发电，光伏发电、电动汽车等）等。 （3）以IGCT为主功率器件的电力电子设备和系统将有可能逐步取代晶闸管。 （4）以MOSFET为主功率器件的电力电子设备和系统将在中低功率领域发挥巨大的作用。 （5）谐振变流器技术将广泛应用，新的控制技术及手段将在电力电子设备和系统中获得应用，并进一步提高电力电子设备和系统的性能和档次。 （6）电力电子设备和系统中的电磁干扰（EMI）控制、PWM传动系统中的轴电流和轴电压等难题将取得突破性进展。 （7）未来电力电子设备和系统的应用热点是：变频调速、智能电网、汽车电子、信息和办公自动化、家用特种电源、牵引用特种电源、新能源

12、、太阳能、风能及燃料电源等。目前,国际上电力电子技术和电力电子器件发展较快的国家主要是日本、美国和西欧,其中日本在技术和产量方面都居领先地位。日本、美国和西欧的一些公司都致力于电力电子器件的开发和应用,并以每年20%-30%的速度递增。其中,日本是世界上最主要的电力电子产品生产国,东芝、日立、三菱、富士等公司都是世界上主要的电力电子器件制造商。日本政府大力支持电力电子技术的应用和电力电子器件的研究开发.并要求起点高、起步快,从而导致日本在电力电子技术领域很快处在领先地位,该调查报告认为:应用电力电子变频技术的效果主要体现在节能、节材和提高工作质量。美国在意识到失去优势的情况下,着手制定发展新战

13、略,并组建了“电力电子应用中心”(PEAC)这一国家级实验室,把重点放在yDMOS和MCT上,以保持在电力电子技术发展中的优势。西欧高技术发展战略中,也将GTO、SITH、MCTH这一系列新型电力电子器件及其应用列为重点发展项目。国外电力电子技术发展的速度非常快,电力电子器件的更新换代日新月异,电力电子技术的飞速发展和新型电力电子器件的不断研制成功,使国外电力电子发展形成以下特点:一是发展速度快、应用范围宽。二是生产第二代,开发第三代电力电子产品。三是电力电子技术向大功率化、模块化、高频化、智能化方向发展。五、电力电子器件新型材料的涌现近年来还出现了很多性能优良的新型化合物半导体材料，如砷化镓

14、（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。（一）电力电子器件新型材料1、砷化镓材料GaAs是一种很有发展前景的半导体材料。与Si相比，GaAs有两个独特的优点：禁带宽度能量为1.4eV，较Si的1.1eV要高。正因如此，GaAs整流元件可在350的高温下工作（Si整流元件只能达200），具有很好的耐高温特性，有利于模块小型化；GaAs材料的电子迁移率为8000cm2/Vs，是Si材料的5倍，因而同容量的器件几何尺寸更小，从而可减小寄生电容，提高开关频率（1MHz以上）。当然，由于GaAs材料禁带宽度大，也带来正向压降

15、比较大的不利因素，不过其电子迁移率可在一定程度上补偿这种影响。GaAs整流元件在Motorola公司的一些老用户中间，广泛用于制作各种输出电压（12V、24V、36V、48V）的DC电源，用于通信设备和计算机中。预计，随着200V耐压GaAs整流器件生产工艺技术的改进，器件将获得优化，应用领域将会不断扩大。2、碳化硅材料SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，作为Si和GaAs的重要补充，可制作出性能更加优异的高温（300500）、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的节能具有重要意义。已用SiC材料制作出普通晶闸管、双极晶体管（BJT）、IGBT、

16、功率MOSFET（175V/2A、600V/18A）、SIT（600MHz/225W/200V/fmax=4GHz）、PN结二极管（300K温度下耐压达45kV）和肖特基势垒二极管（300K温度下耐压达1kV），广泛运用于火车机头、有轨电车、工业发电机和高压输电变电装置中。3、磷化铟材料InP是一种族化合物半导体材料，是继Si和GaAs之后的新一代电子功能材料。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，且表面复合速率比GaAs低几乎3个数量级，使得InPHBT可在低电流下工作，可作为高速、高频微波器件的材料，频率可达340GHz。4、锗化硅材料据报道，德国TenicTele

17、funkenMicroelectronic公司计划于1998年一季度开始批量生产无线应用的SiGe芯片，其截止频率为50GHz110GHz。这标志着SiGe器件正式进入应用领域。（二）新型电力电子器件1、静电感应晶闸管 SITH静电感应器件（SID）是一类新型电力半导体器件的总称，它主要包括静电感应晶体管SIT、双极型静电感应晶体管BSIT、静电感应晶闸管SITH等三大类。与现用的晶体管和电子管比较，使用静电感应器件最明显的优点一是可实现功率变频，从而达到高效节能（节能效果可高达40%），二是可优化产品结构、大幅度缩小产品体积，降低原材料消耗。它的最后发展将为人类广泛节约能源，降低材料消耗提供

18、重要手段，并为机电融合一体化开辟新的道路。SITH最重要的用途是作为可关断的电力开关，主要运用于正向导通和反向阻断两个状态。对于常关型器件，正栅压使其开通，负栅压使器件强迫关断。与普通晶闸管（SCR）及可关断晶闸管（GTO）相比有许多优点：SITH的通态电阻小，通态电压低，开关速度快，开关损耗小，正向电压阻断增益高，开通和关断的短路增益大，di/dt及dv/dt的耐量高。SITH为场控器件，不像SCR及GTO那样有体内再生反馈机理，所以不会因dv/dt过高而产生误触发现象。SITH与SIT一样，可以通过电场控制阳极电流，在栅极没有信号时，器件是导通的。2、集成门极换流晶闸管IGCT集成栅极换流

19、晶闸管IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是1996年问世的用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。IGCT是一种基于GTO结构、利用集成栅极结构进行栅极硬驱动、采用缓冲层结构及阳极透明发射极技术的新型大功率半导体开关器件，具有晶闸管的通态特性及晶体管的开关特性。由于采用了缓冲结构以及浅层发射极技术，因而使动态损耗降低了约50，另外，此类器件还在一个芯片上集成了具有良好动态特性的续流二极管，从而以其独特的方式实现了晶闸管的低通态压降、高阻断电压和晶体管稳定的开关特性有机结合。IGCT与GTO相似，也是四层三端器件，GCT内部由成千个GCT组成，阳极和门极共用，而阴极并联在一起。与GTO有重要差别的是IGCT阳极内侧多了缓冲层，以透明（可穿透）阳极代替GTO的短路阳极。导通机理与GTO完全一样，但关断机理与GTO完全不同，在IGCT的关断过程中，GCT能瞬间从导通转到阻断状态，变成