电力电子技术器件的现状与发展趋势

1、电力电子技术器件现状及发展趋势摘要 电力电子技术在节能和绿色电力技术中发挥着重要作用。它已发展成为电气工程中最重要和最活跃的分支。近年来，电力电子器件的性能有了很大提高。未来发展的主流是提高电流电压水平，提高工作频率，缩小尺寸，高度模块化，提高工作效率，并根据电力电子器件电压、电流和频率的关系需要和解了。关键词电力电子；节能；电力电子器件；简介：所谓电力电子技术，就是利用功率半导体器件和电子技术对电气设备的电力进行控制的技术。旨在实现“高效用电、优质用电”。它是一门融合了功率半导体器件、功率转换技术、现代电子技术、自动控制技术等多学科的交叉学科。电力电子器件是电力电子技术的基础和源泉。在电力电

2、子器件中，GTO晶闸管、整流器、IGCT、GTR发展放缓； MOS场控半导体器件以其优异的特性成为主流器件，将成为未来功率半导体器件研究的主流。对于以MOSFET为控制级、工作频率高的IGBT、MOSFET和IECT，其研究的核心是提高电压和电流容量；静电感应功率半导体SIT和SITH的研究将受到关注。电力电子技术是电子学发展的一个新领域。近年来，国外电力电子产品的开发和电力电子技术的应用取得了长足的进步。本文分析比较了国外电力电子技术的发展现状、前景预测、产品市场及对策，提出了我国电力电子技术与器件的发展目标和发展重点。由于电能是人类活动的主要能源，而电力电子技术可以有效地节能降耗，被视为国

3、民经济、国防建设和人民生活各领域的重要基础技术。 (文件4文件5) (文件7)一、国外电力电子技术发展现状及趋势1.1 电力电子器件发展历程信号电路中的AD采样，称为功率采样。装置的工作过程是能量转换过程，其可靠性决定了装置和系统的可靠性。电力电子器件按可控程度和结构特点可分为四类：(1)半控器件第一代电力电子器件1950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。到1970年代，衍生出许多半控器件，这些电力电子器件的功率越来越大，性能也越来越完善，但由于晶闸管的固有特性，其应用范围大大有限的。（2）全控装置第二代电力电子装置1970年代后期以来，关断晶闸管（GTO）

4、、功率晶体管（GTR或BJT）及其模块相继投入实用。此后，各种高频全控装置问世并迅速发展。这些器件主要包括：功率场控晶体管（即功率MOSFET）、静电感应晶体管（SIT）、静电感应晶闸管（SITH）等。这些器件的产生和发展形成了一个新的全控电力电子器件家族.(3) 复合器件第三代电力电子器件前两代电力电子器件中的各种器件各有特点。近年来，出现了结合多种器件优点的复合器件。如：Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT（绝缘栅双极晶体管）。它实际上是一种 MOSFET 驱动的双极晶体管，结合了 M0sFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降的优点。容量大、开

5、关速度快、驱动方便，是理想的电力电子器件。(4) 模块化器件第四代电力电子器件随着技术水平的不断提高，许多零散的器件可以组合成批量生产，从而催生了第四代电力电子器件。以功率集成电路PIC（Power Integrated Circuit）为代表，不仅集成了主电路的元器件，还集成了驱动电路与具有过压过流保护，甚至自动温控的电路组成一个整体。 . （文献6）1.2 国外电力电子技术发展趋势目前，世界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上处于领先地位。日本、美国和西欧的一些公司致力于电力电子器件的开发和应用，每年以20%-30%的速度增长。其中，日本

6、是世界上最重要的电力电子产品生产国，东芝、日立、三菱、富士等公司是世界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发。它要求起点高、起步快，这导致日本在电力电子技术领域快速领先。调查报告认为，电力电子变频技术的应用效果主要体现在节能、节材和提高工作质量上。美国意识到优势的丧失，着手制定新的发展战略，成立了国家级实验室“电力电子应用中心”（PEAC），重点研究yDMOS和MCT，以保持其在电力电子领域的地位技术。发展优势。在西欧高新技术发展战略中，GTO、SITH、MCTH等一系列新型电力电子器件及其应用也被列为重点发展项目。国外电力电子技术发展非常迅速，电力电

7、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成功开发，使得国外电力电子的发展具有以下特点： 一是开发速度快，应用周长宽。二是生产第二代，发展第三代电力电子产品。三是电力电子技术向大功率、模块化、高频化、智能化方向发展。1.3中国电力电子技术发展趋势：近年来，我国电力电子技术取得了长足的进步，主要表现在以下几个方面：电力电子器件技术；电力电子集成技术；电力电子数字技术；小功率电力电子技术新能源发电技术和电能质量控制技术与节能技术。 （文献11）我国在1960年代初研制出第一只晶闸管后，电力电子工业有了一定的发展。据1993年的一项调查，目前全国有200家主要的电力电子

8、器件和设备制造商。其中，专业生产工厂占65%，并行生产工厂占35%；其中，厂家只生产电力电子器件，占45%，厂家只生产电力电子器件，占25%。该设备的生产厂约占30%。这200家单位隶属于机械、电子、冶金、轻工、邮电、能源、军工、铁路、教育等14个系统，其中机电系统生产企业占70%以上。可以看出，电力电子行业在我国是一个跨系统、跨行业的行业，其主体在机电系统。为加快我国电力电子技术发展，国家科委专门组织开展了全国电力电子技术发展战略研究，确定了我国电力电子技术发展的基本任务。经过五年规划的艰苦努力，完成了行业重组和机构调整，组建了多个大型企业集团，加强了科研检测基地建设，形成了成熟的产业体系。

9、已经形成了自主开发和自我完善的能力。国家科委和原机电一体化部将电力电子技术列为国家“八五”和“十年”规划的重点研究项目和重点推进项目。电力电子技术在我国逐渐受到重视，为解决我国能源、原材料短缺的难题提供了新的高科技解决方案和手段。未来，世界市场的竞争将主要是高新技术的竞争。谁拥有电力电子等先进高科技产品，谁就拥有竞争优势。面对我国加入世贸组织必须适应国际大循环的形势，我们面临着严峻的挑战，因为总体而言，我国目前的电力电子技术水平落后于国际先进水平，远远落后于国际先进水平。我国国民经济发展的需要。尤其是面对国外产品的严重冲击，因此，我们必须清醒地认识到这一挑战，勇敢面对。 （文献3）2. 存在的

10、问题目前，电力电子器件的保护措施和参数设计都是基于多方面的经验。现有的电力电子理论还严重不足。在目前的电力电子电路分析方法中，需要解决以下问题。一般只考虑电力电子器件的理想开关状态到与开关器件切换后电路的稳态波形。这在一般的拓扑研究和设计中已经足够了，但在实际运行中还不足以保证设备的可靠性。还必须考虑实际的切换过程，建立设备在切换过程中的仿真模型。 一般在分析电力电子器件切换后的过渡过程时，只考虑电路和电机的集总参数，但在讨论可能损坏器件的各种原因时，这是不够的。器件在开关过程中所经历的脉冲电压可以表示为： , J , | dt At其中 L 是器件引线电路的电感。假设 i。 1000A，当A

11、 t=1ms，L=1mH，代入上式可得脉冲电压v=1000V。对于开关速度较快的器件，若t=1S，则电感仅为1H，脉冲电压为1000V；而10H的电感引起的脉冲峰值为10000V，足以击穿普通低-电压器件。一般引线的分布电感多为H级，必须考虑这种分布电感以保证可靠性。同理，导线与绕组和对地之间的分布电容和输入端的结电容器件也要考虑，电力电子器件的模型要复杂得多，从以上两种具体问题可以看出，要研究好电力电子学，还有很多工作要做。深度，需要全体青年坚强同志的努力。（参考文献8）、电力电子器件发展趋势现代电力电子器件仍朝着大功率、易驱动、高频化方向发展。电力电子的模块化是其向高功率密度发展的重要一步

12、。当前电力电子器件的主要发展成果如下：3.1复合电力电子器件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，属于少数物质器件类，结合了功率MOSFET和双极器件的优点：输入阻抗高、开关速度快、安全工作区域宽、饱和电压降低（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。MCT：MOS控制晶闸管MCT（MOS-Controlled Thyristor）是一种新型的MOS和双极复合器件，如图2所示。它采用集成电路技术，在普通晶闸管结构中制作了

13、大量的MOS器件，控制开关的通断。晶闸管通过 MOS 器件的通断。 MCT不仅具有晶闸管良好的关断和开通特性，而且具有MOS场效应管的高输入阻抗、低驱动功率和开关速度快的优点。通过压降不足。因此MCT被认为是一种很有前途的新型功率器件。已达到MCT器件最大可关断电流，300A最高阻断电压3KV，可关断电流密度为325A/cm2，12个MCT并联组成的模块已试制。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设备的新型功率半导体器件。 IGCT在转换器的功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积方

14、面取得了长足进步，为电力电子封装带来了新的飞跃。 IGCT将GTO芯片与反并联二极管和栅极驱动电路集成在一起，然后在外围以低电感方式与其栅极驱动相连。晶闸管的性能在导通阶段发挥，晶体管的特性在截止阶段发挥。IEGT：电子注入增强型栅极晶体管EGT（Injection Enhanced Gate Transistor）是一种耐压4KV以上的IGBT系列电力电子器件。通过采用增强型注入结构实现了低通态电压，在大容量电力电子器件的发展方面实现了飞跃。 IEGT作为MOS系列电力电子器件具有潜在的发展前景。具有低损耗、高速运行、高耐压、智能有源栅极驱动等特点。它有可能进一步扩大目前的产能。此外，还可以

15、通过模组封装提供很多衍生产品，在大中容量变流器的应用中被寄予厚望。IPEM：集成电力电子模块IPEM（Integrated Power Elactronics Modules）是一种集成了电力电子设备的多个器件的模块。它首先将半导体器件MOSFET、IGBT或MCT和二极管芯片封装在一起，形成一个积木单元，然后将这些积木单元堆叠在带孔的高导电绝缘瓷基板上，其下铺铜。基板、氧化铍陶瓷和散热器。在积木单元的上部，控制电路、栅极驱动、电流和温度传感器与保护电路通过表面贴装集成在薄绝缘层上，如图4所示。IPEM实现了电源的智能化和模块化电子技术，大大降低了电路布线电感、系统噪声和寄生振荡，提高了系统效

16、率和可靠性。PEBB：电力电子积木PEBB（Power Electric Building Block）是在IPEM基础上开发的可处理电能集成的装置或模块。 PEBB不是特定的半导体器件，它是根据优化的电路结构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。一个典型的PEBB如图5所示。虽然它看起来很像一个功率半导体模块，但PEBB除了功率半导体器件外，还包括栅极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。 （文献9）3.2电力电子器件发展前景新材料应用：近年来涌现出许多性能优良的新型化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）、磷化铟（InP）和硅锗（ SiGe) 等。以它们为基

17、础材料制成的电力电子器件正在兴起。砷化镓材料GaAs是一种很有前途的半导体材料。 GaAs与Si相比有两个独特的优势： 禁带宽度的能量为1.4eV，高于Si的1.1eV。正因为如此，GaAs整流元件可以在350高温下工作（Si整流元件只能达到200），并且具有良好的耐高温特性，有利于8000cm模块的小型化； 5倍材料，所以同等容量的器件几何尺寸更小，可以降低寄生电容，提高开关频率（1MHz以上）。当然，由于GaAs材料禁带宽度大，也带来了正向压降比较大的缺点，但它的电子迁移率可以在一定程度上弥补这种影响。砷化镓整流元件广泛应用于摩托罗拉的一些老用户，为通讯设备和计算机制作各种输出电压（12V

18、、24V、36V、48V）的直流电源。预计随着200V耐压GaAs整流器件生产工艺技术的提高，器件将得到优化，应用领域将不断扩大。碳化硅材料SiC是目前最成熟的宽禁带半导体材料。作为Si和GaAs的重要补充，它可以产生高温（300-500 ）、高频、大功率、高速、抗辐射性能更好的产品。设备。 SiC大功率、高压器件对于公共电力交通和电动汽车的节能具有重要意义。普通晶闸管、双极晶体管（BJT）、IGBT、功率MOSFET（175V/、600V/1 8A）、SIT（600MHz/225W/200V/fmax=4GHz）、PN结二极管（300K温度下的电阻）均采用SiC材料制成2A电压高达 45kV

19、）和肖特基势垒二极管（在 300K 时耐压高达 1kV），广泛用于机车、有轨电车、工业发电机和高压输变电所。磷化铟材料InP是IIIV族化合物半导体材料，是继Si、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、更高的高场下电子平均速度，而且表面复合率比GaAs低近3个数量级，这使得InPHBT在低电流下工作，可作为高速，高频微波器件材料，频率可达340GHz。硅锗材料据报道，德国TenicTelefunken微电子公司计划于1998年第一季度开始量产用于无线应用的SiGe芯片，截止频率为50GHz至110GHz。这标志着3.3 发展方向(1) 整合高集成度使体积更小、重

20、量更轻、功率密度更高、性能更好(2) 智能化电驱动系统的智能化使其更具备自动调节能力，从而获得更高的性能指标，包括高效率、功率因数、宽转速范围、快速准确的动态性能和容错能力。(3) 概括更有效地扩大应用范围，从而降低制造成本。（四）信息化现代信息通信技术已经渗透到电力传输系统中，使其不仅是能量转换和传输的装置，而且是信息传输和交换的通道。这扩展了电驱动系统的顶点和延伸，大大提高了电驱动系统的实用性。同时，在电力电子的发展过程中，其电路理论发展中遇到的问题也应该得到解决：高压大电流问题的关键在于产生高压、大电流的电源。电子设备及其串联并联技术。电力系统必须保证为所有用户提供长期稳定的电力供应。因

21、此，电力系统中使用的电力电子器件的可靠性非常重要。随着电力电子器件的应用领域极其广泛，从上图可以看出，包括电力机车。电力机车、电机控制、机器人、照明电子、开关电源和微波功率放大器等。具有线性负载的电子设备，如整流设备、变频器、各种电源和电子镇流器等，会使正弦波失真。供电网络的电压和电流谐波，阻碍了电能的合理高效利用，还会造成不安全事故，因此各国都将电网中的谐波视为电力污染和公害，并均致力于解决谐波的发生，吸收和限制谐波传播等高功率因数和低谐波。电气问题。 （文献10）4。结论随着科学技术的发展，电力电子技术发挥着越来越重要的作用。它在当今高科技系统中不可或缺，其应用领域几乎涉及国民经济的各个工业部门。但当前电力电子技术的