功率變換課程綜述(最新版)

1、Hefei University功率變換課程綜述課題名稱： 功率變換課程綜述 姓 名： * 學(xué) 號： * 指導(dǎo)教師： 李秀娟老師 完成時間： 2015.5.31 電力電子器件一、電力電子器件發(fā)展歷史電力電子器件（Power Electronic Device）又稱為功率半導(dǎo)體器件，主要用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路方面大功率的電子器件（通常指電流為數(shù)十至數(shù)千安，電壓為數(shù)百伏以上）。20世紀50年代，電力電子器件主要是汞弧閘流管和大功率電子管。60年代發(fā)展起來的晶閘管，因其工作可靠、壽命長、體積小、開關(guān)速度快，而在電力電子電路中得到廣泛應(yīng)用。70年代初期，已逐步取代了汞弧閘流管。80年代，普通

2、晶閘管的開關(guān)電流已達數(shù)千安，能承受的正、反向工作電壓達數(shù)千伏。在此基礎(chǔ)上，為適應(yīng)電力電子技術(shù)發(fā)展的需要，又開發(fā)出門極可關(guān)斷晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管等一系列派生器件，以及單極型MOS功率場效應(yīng)晶體管、雙極型功率晶體管、靜電感應(yīng)晶閘管、功能組合模塊和功率集成電路等新型電力電子器件。各種電力電子器件均具有導(dǎo)通和阻斷兩種工作特性。功率二極管是二端(陰極和陽極)器件，其器件電流由伏安特性決定，除了改變加在二端間的電壓外，無法控制其陽極電流，故稱不可控器件。普通晶閘管是三端器件，其門極信號能控制元件的導(dǎo)通，但不能控制其關(guān)斷，稱半控型器件?？申P(guān)斷晶閘管、功率晶體管等器件，其門極信號既能控制

3、器件的導(dǎo)通，又能控制其關(guān)斷，稱全控型器件。后兩類器件控制靈活，電路簡單，開關(guān)速度快，廣泛應(yīng)用于整流、逆變、斬波電路中，是電動機調(diào)速、發(fā)電機勵磁、感應(yīng)加熱、電鍍、電解電源、直接輸電等電力電子裝置中的核心部件。這些器件構(gòu)成裝置不僅體積小、工作可靠，而且節(jié)能效果十分明顯(一般可節(jié)電10%40%)。單個電力電子器件能承受的正、反向電壓是一定的，能通過的電流大小也是一定的。因此，由單個電力電子器件組成的電力電子裝置容量受到限制。所以，在實用中多用幾個電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)形成組件，其耐壓和通流的能力可以成倍地提高，從而可極大地增加電力電子裝置的容量。器件串聯(lián)時，希望各元件能承受同樣的正、反向電壓；并聯(lián)時

4、則希望各元件能分擔同樣的電流。但由于器件的個異性，串、并聯(lián)時，各器件并不能完全均勻地分擔電壓和電流。所以，在電力電子器件串聯(lián)時，要采取均壓措施；在并聯(lián)時，要采取均流措施。電力電子器件工作時，會因功率損耗引起器件發(fā)熱、升溫。器件溫度過高將縮短壽命，甚至燒毀，這是限制電力電子器件電流、電壓容量的主要原因。為此，必須考慮器件的冷卻問題。常用冷卻方式有自冷式、風冷式、液冷式(包括油冷式、水冷式)和蒸發(fā)冷卻式等。二、電力電子器件的分類1、按照電力電子器件能夠被控制電路信號所控制的程度分類：(1).半控型器件，例如晶閘管；(2).全控型器件，例如GTO（門極可關(guān)斷晶閘管）、GTR（電力晶體管），MOSFE

5、T（電力場效應(yīng)晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）；(3).不可控器件，例如電力二極管；2、按照驅(qū)動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)分類：(1).電壓驅(qū)動型器件，例如IGBT、MOSFET、SITH（靜電感應(yīng)晶閘管）；(2).電流驅(qū)動型器件，例如晶閘管、GTO、GTR；3、根據(jù)驅(qū)動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間的有效信號波形分類：(1).脈沖觸發(fā)型，例如晶閘管、GTO；(2).電子控制型，例如GTR、MOSFET、IGBT；4、按照電力電子器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分類：(1).雙極型器件，例如電力二極管、晶閘管、GTO、GTR；(2).單極型器件，例

6、如MOSFET、SIT；(3).復(fù)合型器件，例如MCT（MOS控制晶閘管）和IGBT；三、各種電力電子器件的優(yōu)缺點1、電力二極管：結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠；2、晶閘管：承受電壓和電流容量在所有器件中最高3、IGBT：開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動，驅(qū)動功率??；缺點：開關(guān)速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及GTO4、GTR：耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，通流能力強，飽和壓降低；缺點：開關(guān)速度低，為電流驅(qū)動，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜，存在二次擊穿問題5、GTO：電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強；缺

7、點：電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時門極負脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低6、MOSFET：開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小且驅(qū)動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題；缺點：電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。制約因素：耐壓，電流容量，開關(guān)的速度。而且目前對電力電子裝置的保護措施及其參數(shù)設(shè)計在很多方面是憑經(jīng)驗進行的，現(xiàn)有的電力電子理論還嚴重不足，在現(xiàn)行的電力電子電路分析方法中存在下列需要解決的問題一般分析時只考慮電力電子器件的理想開關(guān)狀態(tài)，以及開關(guān)器件切換后電路的穩(wěn)態(tài)波形。在一般拓撲研究和設(shè)計中這樣做是夠的，但是，要確保裝

8、置實際運行時的可靠性就不行了，還須考慮實際的開關(guān)過程，須建立器件在開關(guān)過程中的仿真模型。四、電力電子器件、設(shè)備和系統(tǒng)發(fā)展趨勢應(yīng)用技術(shù)高頻化（20kHz以上）、硬件結(jié)構(gòu)集成模塊化（單片集成模塊、混合集成模塊）、軟件控制數(shù)字化和產(chǎn)品性能綠色化（無電磁干擾和對電網(wǎng)無污染）是當前電力電子新技術(shù)產(chǎn)品的四大發(fā)展方向。（一）電力電子器件發(fā)展趨勢高頻化、集成化、標準模塊化和智能化是電力電子器件未來的主要發(fā)展方向。（1）隨著電力電子技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，對電力電子器件性能指標和可靠性的要求也日益苛刻。具體而言，要求電力電子器件具有更大的電流密度、更高的工作溫度、更強的散熱能力、更高的工作電壓、更低的通態(tài)壓降、更快

9、的開關(guān)時間，而對于航天和軍事應(yīng)用，還要求有更強的抗輻射能力和抗振動沖擊能力。特別是航天、航空、艦船、輸變電、機車、裝甲車輛等使用條件惡劣的應(yīng)用領(lǐng)域，以上要求更為迫切。（2）未來幾年中，盡管以硅為半導(dǎo)體材料的雙極功率器件和場控功率器件已趨于成熟，但是各種新結(jié)構(gòu)和新工藝的引入，仍可使其性能得到進一步提高和改善，Coolmos、各種改進型IGBT和IGCT均有相當?shù)纳透偁幜?。?）電力電子器件的智能化應(yīng)用也在不斷研究中取得了實質(zhì)成果。一些國外制造企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出了相應(yīng)的IPM智能化功率模塊，結(jié)構(gòu)簡單、功能齊全、運行可靠性高，并具有自診斷和保護的功能。（4）新型高頻器件碳化硅和氮化鎵器件正在迅速發(fā)

10、展，一些器件有望在不遠的將來實現(xiàn)商品化。但由于材料和制造工藝方面的問題，還需要大量的研究投入和時間才能逐步解決。（二）電力電子設(shè)備和系統(tǒng)發(fā)展趨勢由于環(huán)境、能源、社會和高效化的要求，電力電子設(shè)備和系統(tǒng)正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、智能化、全數(shù)字控制、系統(tǒng)化及綠色化方向發(fā)展。 （1）在未來一段時間內(nèi)，以各種電力半導(dǎo)體器件為主功率器件的電力電子設(shè)備和系統(tǒng)將展開競爭且共同發(fā)展。晶閘管及其派生器件仍將壟斷特大功率領(lǐng)域。 （2）以IGBT為主功率器件的整流器和逆變器可提高效率、減小噪聲，減輕設(shè)備的重量、減少體積，將廣泛應(yīng)用于工業(yè)（電機變頻、電焊機，工業(yè)加熱，電鍍電源、貯能裝置等）、家用電器（電磁爐，商用電磁爐，變

11、頻空調(diào)，變頻冰箱等）和新能源等方面（風力發(fā)電，光伏發(fā)電、電動汽車等）等。 （3）以IGCT為主功率器件的電力電子設(shè)備和系統(tǒng)將有可能逐步取代晶閘管。 （4）以MOSFET為主功率器件的電力電子設(shè)備和系統(tǒng)將在中低功率領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。 （5）諧振變流器技術(shù)將廣泛應(yīng)用，新的控制技術(shù)及手段將在電力電子設(shè)備和系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，并進一步提高電力電子設(shè)備和系統(tǒng)的性能和檔次。 （6）電力電子設(shè)備和系統(tǒng)中的電磁干擾（EMI）控制、PWM傳動系統(tǒng)中的軸電流和軸電壓等難題將取得突破性進展。 （7）未來電力電子設(shè)備和系統(tǒng)的應(yīng)用熱點是：變頻調(diào)速、智能電網(wǎng)、汽車電子、信息和辦公自動化、家用特種電源、牽引用特種電源、新能源

12、、太陽能、風能及燃料電源等。目前,國際上電力電子技術(shù)和電力電子器件發(fā)展較快的國家主要是日本、美國和西歐,其中日本在技術(shù)和產(chǎn)量方面都居領(lǐng)先地位。日本、美國和西歐的一些公司都致力于電力電子器件的開發(fā)和應(yīng)用,并以每年20%-30%的速度遞增。其中,日本是世界上最主要的電力電子產(chǎn)品生產(chǎn)國,東芝、日立、三菱、富士等公司都是世界上主要的電力電子器件制造商。日本政府大力支持電力電子技術(shù)的應(yīng)用和電力電子器件的研究開發(fā).并要求起點高、起步快,從而導(dǎo)致日本在電力電子技術(shù)領(lǐng)域很快處在領(lǐng)先地位,該調(diào)查報告認為:應(yīng)用電力電子變頻技術(shù)的效果主要體現(xiàn)在節(jié)能、節(jié)材和提高工作質(zhì)量。美國在意識到失去優(yōu)勢的情況下,著手制定發(fā)展新戰(zhàn)

13、略,并組建了“電力電子應(yīng)用中心”(PEAC)這一國家級實驗室,把重點放在yDMOS和MCT上,以保持在電力電子技術(shù)發(fā)展中的優(yōu)勢。西歐高技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略中,也將GTO、SITH、MCTH這一系列新型電力電子器件及其應(yīng)用列為重點發(fā)展項目。國外電力電子技術(shù)發(fā)展的速度非?？?電力電子器件的更新?lián)Q代日新月異,電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和新型電力電子器件的不斷研制成功,使國外電力電子發(fā)展形成以下特點:一是發(fā)展速度快、應(yīng)用范圍寬。二是生產(chǎn)第二代,開發(fā)第三代電力電子產(chǎn)品。三是電力電子技術(shù)向大功率化、模塊化、高頻化、智能化方向發(fā)展。五、電力電子器件新型材料的涌現(xiàn)近年來還出現(xiàn)了很多性能優(yōu)良的新型化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵

14、（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)。（一）電力電子器件新型材料1、砷化鎵材料GaAs是一種很有發(fā)展前景的半導(dǎo)體材料。與Si相比，GaAs有兩個獨特的優(yōu)點：禁帶寬度能量為1.4eV，較Si的1.1eV要高。正因如此，GaAs整流元件可在350的高溫下工作（Si整流元件只能達200），具有很好的耐高溫特性，有利于模塊小型化；GaAs材料的電子遷移率為8000cm2/Vs，是Si材料的5倍，因而同容量的器件幾何尺寸更小，從而可減小寄生電容，提高開關(guān)頻率（1MHz以上）。當然，由于GaAs材料禁帶寬度大，也帶來正向壓降

15、比較大的不利因素，不過其電子遷移率可在一定程度上補償這種影響。GaAs整流元件在Motorola公司的一些老用戶中間，廣泛用于制作各種輸出電壓（12V、24V、36V、48V）的DC電源，用于通信設(shè)備和計算機中。預(yù)計，隨著200V耐壓GaAs整流器件生產(chǎn)工藝技術(shù)的改進，器件將獲得優(yōu)化，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)粩鄶U大。2、碳化硅材料SiC是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，作為Si和GaAs的重要補充，可制作出性能更加優(yōu)異的高溫（300500）、高頻、高功率、高速度、抗輻射器件。SiC高功率、高壓器件對于公電輸運和電動汽車的節(jié)能具有重要意義。已用SiC材料制作出普通晶閘管、雙極晶體管（BJT）、IGBT、

16、功率MOSFET（175V/2A、600V/18A）、SIT（600MHz/225W/200V/fmax=4GHz）、PN結(jié)二極管（300K溫度下耐壓達45kV）和肖特基勢壘二極管（300K溫度下耐壓達1kV），廣泛運用于火車機頭、有軌電車、工業(yè)發(fā)電機和高壓輸電變電裝置中。3、磷化銦材料InP是一種族化合物半導(dǎo)體材料，是繼Si和GaAs之后的新一代電子功能材料。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，且表面復(fù)合速率比GaAs低幾乎3個數(shù)量級，使得InPHBT可在低電流下工作，可作為高速、高頻微波器件的材料，頻率可達340GHz。4、鍺化硅材料據(jù)報道，德國TenicTele

17、funkenMicroelectronic公司計劃于1998年一季度開始批量生產(chǎn)無線應(yīng)用的SiGe芯片，其截止頻率為50GHz110GHz。這標志著SiGe器件正式進入應(yīng)用領(lǐng)域。（二）新型電力電子器件1、靜電感應(yīng)晶閘管 SITH靜電感應(yīng)器件（SID）是一類新型電力半導(dǎo)體器件的總稱，它主要包括靜電感應(yīng)晶體管SIT、雙極型靜電感應(yīng)晶體管BSIT、靜電感應(yīng)晶閘管SITH等三大類。與現(xiàn)用的晶體管和電子管比較，使用靜電感應(yīng)器件最明顯的優(yōu)點一是可實現(xiàn)功率變頻，從而達到高效節(jié)能（節(jié)能效果可高達40%），二是可優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、大幅度縮小產(chǎn)品體積，降低原材料消耗。它的最后發(fā)展將為人類廣泛節(jié)約能源，降低材料消耗提供

18、重要手段，并為機電融合一體化開辟新的道路。SITH最重要的用途是作為可關(guān)斷的電力開關(guān)，主要運用于正向?qū)ê头聪蜃钄鄡蓚€狀態(tài)。對于常關(guān)型器件，正柵壓使其開通，負柵壓使器件強迫關(guān)斷。與普通晶閘管（SCR）及可關(guān)斷晶閘管（GTO）相比有許多優(yōu)點：SITH的通態(tài)電阻小，通態(tài)電壓低，開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小，正向電壓阻斷增益高，開通和關(guān)斷的短路增益大，di/dt及dv/dt的耐量高。SITH為場控器件，不像SCR及GTO那樣有體內(nèi)再生反饋機理，所以不會因dv/dt過高而產(chǎn)生誤觸發(fā)現(xiàn)象。SITH與SIT一樣，可以通過電場控制陽極電流，在柵極沒有信號時，器件是導(dǎo)通的。2、集成門極換流晶閘管IGCT集成柵極換流

19、晶閘管IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是1996年問世的用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導(dǎo)體器件。IGCT是一種基于GTO結(jié)構(gòu)、利用集成柵極結(jié)構(gòu)進行柵極硬驅(qū)動、采用緩沖層結(jié)構(gòu)及陽極透明發(fā)射極技術(shù)的新型大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，具有晶閘管的通態(tài)特性及晶體管的開關(guān)特性。由于采用了緩沖結(jié)構(gòu)以及淺層發(fā)射極技術(shù)，因而使動態(tài)損耗降低了約50，另外，此類器件還在一個芯片上集成了具有良好動態(tài)特性的續(xù)流二極管，從而以其獨特的方式實現(xiàn)了晶閘管的低通態(tài)壓降、高阻斷電壓和晶體管穩(wěn)定的開關(guān)特性有機結(jié)合。IGCT與GTO相似，也是四層三端器件，GCT內(nèi)部由成千個GCT組成，陽極和門極共用，而陰極并聯(lián)在一起。與GTO有重要差別的是IGCT陽極內(nèi)側(cè)多了緩沖層，以透明（可穿透）陽極代替GTO的短路陽極。導(dǎo)通機理與GTO完全一樣，但關(guān)斷機理與GTO完全不同，在IGCT的關(guān)斷過程中，GCT能瞬間從導(dǎo)通轉(zhuǎn)到阻斷狀態(tài)，變成