电气2013级1班研究性创新实验

1、PAGE 山东科技大学电气与自动化工程学院研究创新型实验报告名称： 电力电子技术器件的现状及发展趋势综述 姓名： 赵丽萍 学号： 201301100535 手机：Email：1832887274 专业： 电气工程及其自动化2013级01班 一、摘要电力电子技术在节约能源与绿色电源技术方面扮演着重要角色。它已经发展为电气工程学科最为重要、最为活跃的一个分支。近年来，电力电子器件在性能方面获得了很大的提高，未来发展的主流是提高电流和电压的等级、提高工作频率、缩小体积、高度模块化和高工作效率化，并根据电力电子装置的需要协调电压、电流和频率之间的关系。关键词 电力电子学 节约

2、能源 电力电子器件二、电力电子器件的发展史 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，其可靠性决定了装置和系统的可靠性。根据可控程度以及构造特点等因素可以把电力电子器件分成四类：(1)半控型器件第一代电力电子器件20世纪50年代，由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。到了20世纪70年代，已经派生出了许多半控型器件，这些电力电子器件的功率也越来越大，性能日渐完善，但是由于晶闸管的固有特性，大大限制了它的应用范围。(2)全控型器件一一第二代电力电子器件从20世纪70年代后期开始，可关断晶闸管(GTO)、电

3、力晶体管(GTR或BJT)及其模块相继实用化。此后，各种高频率的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)、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，已经形成了一个新型的全控电力电子器件的大家族。(3)复合型器件第三代电力电子器件前两代电力电子器件中各种器件都有其本身的特点。近年来，又出现了兼有几种器件优点的复合器件。如：绝缘门极双极晶体管IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)。它实际上是MOSFET驱动双极型晶体管，兼有M0sFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两者的优点。它

4、容量较大、开关速度快、易驱动，成为一种理想的电力电子器件。(4)模块化器件第四代电力电子器件 随着工艺水平的不断提高，可以将许多零散拼装的器件组合在一起并且大规模生产，进而导致第四代电力电子器件的诞生。以功率集成电路PIC(PowerIntergratedCircuit)为代表，其不仅把主电路的器件，而且把驱动电路以及具有过压过流保护，甚至温度自动控制等作用的电路都集成在一起，形成一个整体。三、电力电子技术的发展趋势图1 电力技术分布3.1国外电力电子技术发展趋势 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

5、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GT

6、O、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。3.2国内电力电子技术发展趋势： 近年来我国电力电子技术又取得了长足的进展,主要表现在以下几个方面:电力电子器件技术；电力电子集成化技术；电力电子数字化技术；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及节能技术。（文献11） 我国在60年

7、代初研制出第一只晶闸管之后,电力电子行业得到一定发展。据1993年调查表明,目前全国主要电力电子器件和设备生产厂家共200家。其中专业生产厂、所占65%,兼业生产厂、所占35%;其中只生产电力电子器件的生产厂家占45%,只生产电力电子装置的生产厂家占25%,既生产器件又生产装置的生产厂约30%。这200家单位分别隶属机械、电子、冶金、轻工、邮电、能源、军工、铁道、教育等14个系统,其中机械电子系统的厂家占70%以上。可见,电力电子行业在我国是一个跨系统、跨部门的行业,其主体在机电系统。为了加快我国电力电子技术发展,国家科委专门组织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

8、任务,即从我国实际情况出发,以国内外两个市场为导向,经3个五年计划的艰苦努力,完成行业改组和院所调整,建立若干大型企业集团,加强科研测试基地建设,形成具有独立发展,自我完善能力的成熟产业。国家科委和原机电部已将电力电子技术列为国家八五计划和十年设想的重点攻关项目和重点推广项目。电力电子技术在国正逐渐得到重视,为解决我国能源和原材料紧张的困难,提供了新的高科技解决方法和手段。今后世界市场的竞争主要表现为高新技术的竞争，谁拥有电力电子这种先进的高新科技产品，谁就掌握竞争的优势。面临我国已加入世贸组织和必须适应国际大循环的形势，我们面临着严峻的挑战，因为总体说来我国当前电力电子技术的水平落后于国际先

9、进水平，远远跟不上我国国民经济发展的需要，特别是还面临着国外产品严重冲击，因此，我们必需清醒地认识到这一挑战并且要勇敢地面对。四、电力电子器件的发展趋势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：4.1复合型电力电子器件IGBT：绝缘栅双极晶体管 IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)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）

10、、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。 MCT(MOS-ControlledThyristor)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。IGCT：集成门极换流晶闸管 IGCT(IntergratedGateCommutatedThyrist

11、ors)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。IPEM：集成电力电子模块 IPEM(IntergratedPowerElactronicsModules)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

12、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。 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。PEBB：电力电子积木PEBB(PowerElectricBuildingBlo

13、ck)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。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。4.2电力电子器件发展展望新材料的应用：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（GaAs）、碳化硅（SiC）

14、、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。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）。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

15、（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、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。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。4.3发展方向（1）集成化（2）智能化（3）通用化（4）信息化五、结语当前，电力电子技术已进入高频化、标准模块化、集成化和智能时代。理论和实验证明电气产品的体积与质量反比于供电频率的平方根，频率提高对其设备的制造省材，运行节能和系统性能改善（尤其对航天工业）意义十分深远。电力电子器件高频化是其创新的主导方向，硬件结构的标准模块是器件发展的必然趋势。目前先进模块已和包括开关元件和与其反向并联的续流二极管及驱动保护电路多个单元且均以器件标准化和产品