電力電子與功率器件

電力電子與功率器件

0電力電子的內(nèi)涵電力電子及其應(yīng)用設(shè)備日益廣泛應(yīng)用于能源、運(yùn)輸、環(huán)境、先進(jìn)裝備制造、激光、航空航天、造船、船舶、坦克、第五代戰(zhàn)艦、激光槍、電磁炮等現(xiàn)代國(guó)防武器裝備的重要領(lǐng)域。這與20世紀(jì)30年代以來(lái)我國(guó)能源電子、能源電子技術(shù)的快速發(fā)展和能源電子的重要作用密切相關(guān)。二次大戰(zhàn)后,特別是20世紀(jì)80年代以后,電子技術(shù)(包括:半導(dǎo)體、微電子技術(shù);計(jì)算機(jī)、通信技術(shù);電力電子技術(shù)等)的飛速發(fā)展,給世界科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、文化、軍事等各方面帶來(lái)了革命性的影響。概括地說(shuō),電子技術(shù)包含兩大部分:信息電子技術(shù)(包括:微電子、計(jì)算機(jī)、通信等)是實(shí)施信息傳輸、處理、存儲(chǔ)和產(chǎn)生控制指令;電力電子技術(shù)是實(shí)施電能的傳輸、處理、存儲(chǔ)和控制,它不但要保障電能安全、可靠、高效和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行,而且還要將能源與信息高度地集成在一起。如果用人體組成來(lái)比喻的話,信息電子相當(dāng)于人的大腦和神經(jīng)中樞,負(fù)責(zé)思考和指揮;而電力電子則相當(dāng)于人體的心血管系統(tǒng)和四肢,負(fù)責(zé)為人體活動(dòng)提供能量和承擔(dān)執(zhí)行的功能,兩者缺一不可,不可能互相代替。事實(shí)表明,無(wú)論是電力、機(jī)械、礦冶、交通、石油、能源、化工、輕紡等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),還是通信、激光、機(jī)器人、環(huán)保、原子能、航天等高技術(shù)產(chǎn)業(yè),都迫切需要高質(zhì)量、高效率的電能。而電力電子正是將各種一次能源高效率地變?yōu)槿藗兯璧碾娔?。它是?shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和提高人民生活質(zhì)量的重要手段,它已經(jīng)成為弱電控制與強(qiáng)電運(yùn)行之間、信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)之間、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化改造和興建高科技產(chǎn)業(yè)之間不可缺少的重要橋梁。所以,電力電子是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)技術(shù),是現(xiàn)代科學(xué)、工業(yè)和國(guó)防的重要支撐技術(shù)。時(shí)至今日,無(wú)論高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域還是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),特別是我國(guó)一些重大工程(三峽、特高壓、高鐵、西氣東輸?shù)?,乃至照明、家電等量大面廣的與人民日常生活密切相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域,電力電子產(chǎn)品已經(jīng)無(wú)所不在,表1列出各主要應(yīng)用領(lǐng)域必須用到的關(guān)鍵應(yīng)用裝置。能量的合理利用,電氣系統(tǒng)的微型化及電源智能管理促進(jìn)了電力電子近50年的革命性發(fā)展。而新型電力電子器件的出現(xiàn),總是帶來(lái)一場(chǎng)電力電子技術(shù)的革命。電力電子器件就好像現(xiàn)代電力電子裝置的心臟,雖然它在整臺(tái)裝置中的價(jià)值通常不會(huì)超過(guò)總價(jià)值的20%~30%,但是,它對(duì)裝置的總價(jià)值,尺寸、重量、動(dòng)態(tài)性能,過(guò)載能力,耐用性及可靠性等,起著十分重要的作用。因此,新型電力電子器件及其相關(guān)新型半導(dǎo)體材料的研究,一直是電力電子領(lǐng)域極為活躍的主要課題之一。可以這么說(shuō):沒有各種現(xiàn)代電力電子器件,就沒有現(xiàn)代電力電子裝置及其應(yīng)用;沒有日益擴(kuò)大的電力電子應(yīng)用市場(chǎng)需求強(qiáng)烈的推動(dòng)和促進(jìn),也不會(huì)出現(xiàn)今天現(xiàn)代電力電子器件的蓬勃發(fā)展的局面。1當(dāng)前和發(fā)展動(dòng)力設(shè)備1.1電力器件的發(fā)展歷程一個(gè)理想的功率半導(dǎo)體器件,應(yīng)當(dāng)具有下列理想的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性:在阻斷狀態(tài),能承受高電壓;在導(dǎo)通狀態(tài),能導(dǎo)通高的電流密度并具有低的導(dǎo)通壓降;在開關(guān)狀態(tài)和轉(zhuǎn)換時(shí),具有短的開、關(guān)時(shí)間,能承受高的di/dt和du/dt,具有低的開關(guān)損耗;運(yùn)行時(shí)具有全控功能和良好的溫度特性。自20世紀(jì)50年代硅晶閘管問世以后,功率半導(dǎo)體器件的研究工作者為達(dá)到上述理想目標(biāo)做出了不懈努力,并已取得了世人矚目的成就。早期的大功率變流器,如牽引變流器,幾乎都是基于晶閘管的。到了20世紀(jì)80年代中期,4.5kV的可關(guān)斷晶閘管(gateturn-offthyristor,GTO)得到廣泛應(yīng)用,并成為在接下來(lái)的10年內(nèi)大功率變流器的首選器件,一直到絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)的阻斷電壓達(dá)到3.3kV之后,這個(gè)局面才得到改變。與此同時(shí),對(duì)GTO技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)導(dǎo)致了集成門極換流晶閘管(intergratedgatecommutatedthyristor,IGCT)的問世,它顯示出比傳統(tǒng)GTO更加顯著的優(yōu)點(diǎn)。目前的GTO開關(guān)頻率大概為500Hz,由于開關(guān)性能的提高,IGCT和大功率IGBT的開通和關(guān)斷損耗都相對(duì)較低,因此可以工作在1~3kHz的開關(guān)頻率下。至2005年,以晶閘管為代表的半控型器件已達(dá)到70MW/9000V的水平,全控器件也發(fā)展到了非常高的水平。當(dāng)前,硅基電力電子器件的水平基本上穩(wěn)定在109~1010Wuf0d7Hz左右,已逼近了由于寄生二極管制約而能達(dá)到的硅材料極限,如圖1所示。不難理解,更高電壓、更好開關(guān)性能的電力電子器件的出現(xiàn),使在大功率應(yīng)用場(chǎng)合不必要采用很復(fù)雜的電路拓?fù)?這樣就有效地降低了裝置的故障率和成本。圖2為電力電子器件發(fā)展歷史示意圖。圖3概括了當(dāng)前市場(chǎng)上最主要的電力電子器件及其對(duì)應(yīng)的電壓和電流等級(jí)。目前電力電子器件現(xiàn)狀和發(fā)展簡(jiǎn)要綜述如下。1.2高、低壓大電流半控電力器件gto晶閘管是電力電子中傳統(tǒng)的電力電子器件。自問世以來(lái),它的功率容量已提高了近3000倍,具有最高的功率等級(jí)(12kV,6kA)。并且因?yàn)榫чl管可以光觸發(fā),所以它很容易就可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)連接。為阻斷13kV電壓,提出一種13kV不對(duì)稱晶閘管和13kV二極管相串聯(lián)的新器件概念,并通過(guò)使用一種基于N(10)發(fā)射極前的深埋場(chǎng)阻層的場(chǎng)阻技術(shù),13kV二極管反向恢復(fù)性能得到顯著改善。晶閘管的主要缺點(diǎn)是不能自關(guān)斷,只能靠電路本身將其電流置零。因此,晶閘管在關(guān)斷的時(shí)候需要消耗很大的無(wú)功功率。我國(guó)以晶閘管為代表的第1代半控電力電子器件的產(chǎn)業(yè)業(yè)已成熟,種類齊全,質(zhì)量可靠,產(chǎn)品、技術(shù)水平已居世界前列,如:5英寸7200V/3000A和6英寸8500V/(4000~4750A)電控晶閘管以及5英寸7500V/3125A光控晶閘管已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,并已經(jīng)成功用于高壓直流輸電和無(wú)功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域。預(yù)計(jì)在今后若干年內(nèi),晶閘管仍會(huì)在高電壓、大電流應(yīng)用場(chǎng)合得到繼續(xù)發(fā)展。1982年日本日立公司首先研制成功2500V/1000A的GTO。目前許多生產(chǎn)商均可提供額定開關(guān)功率36MVA(6000V,6000A)用的高壓大電流GTO。為了折衷其導(dǎo)通、開通和關(guān)斷特性,傳統(tǒng)GTO的典型關(guān)斷增量?jī)H為3~5。GTO關(guān)斷期間的不均勻性引起的“擠流效應(yīng)”使GTO關(guān)斷期間du/dt必須限制在500~1000V/uf06ds。為此,人們不得不使用體積大且笨重又昂貴的吸收電路。它另一個(gè)缺點(diǎn)是門極驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜和要求較大的驅(qū)動(dòng)功率。但是,高的導(dǎo)通電流密度、阻斷電壓和阻斷狀態(tài)下高的du/dt耐量和有可能在內(nèi)部集成一個(gè)反并二極管這些突出的優(yōu)點(diǎn)使人們?nèi)詫?duì)GTO感到興趣。到目前為止,傳統(tǒng)的GTO在高壓、大功率牽引、工業(yè)和電力逆變器中是應(yīng)用得最為普遍的門控功率半導(dǎo)體器件。目前,GTO的最高研究水平為6英寸、6000V/6000A以及9000V/10000A。這種GTO采用了大直徑均勻結(jié)技術(shù)和全壓接式結(jié)構(gòu),通過(guò)少子壽命控制技術(shù)折衷了GTO導(dǎo)通電壓與關(guān)斷損耗兩者之間的矛盾。由于GTO具有門極全控功能,它正在許多應(yīng)用領(lǐng)域逐步取代可控硅(siliconcontrolledrectifier,SCR)。為了滿足電力系統(tǒng)對(duì)1GVA以上的三相逆變功率電壓源的需要,可望解決幾十個(gè)高壓GTO串聯(lián)的技術(shù),可使電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方面再上一個(gè)臺(tái)階。1.3關(guān)于igct當(dāng)前已有兩種常規(guī)GTO的替代品:高功率的IGBT模塊;新型GTO派生器件—集成門極換流晶閘管IGCT。IGCT晶閘管是一種新型的電力電子器件,它的最重要特點(diǎn)是有一個(gè)引線電感極低的與管餅集成在一起的門極驅(qū)動(dòng)器。圖4為門極驅(qū)動(dòng)和器件的外形照片,圖中門極驅(qū)動(dòng)器與IGCT管餅之間的距離只有15cm左右,包括IGCT及其門極驅(qū)動(dòng)電路在內(nèi)的總引線電感量可以減小到GTO電路的1/100左右,因此與常規(guī)GTO晶閘管相比,它具有許多優(yōu)良的特性,例如:損耗低、開關(guān)速度快、關(guān)斷可靠、易于應(yīng)用等。這些優(yōu)點(diǎn)保證了IGCT可以以較低的成本,緊湊、可靠、高效率地用于300kVA~10MVA變流器,而不需要串聯(lián)或并聯(lián)。目前,IGCT電壓已達(dá)到9kV/6kA研制水平,而6.5kV或者是6kA的器件已經(jīng)開始供應(yīng)市場(chǎng)了。如用串聯(lián),逆變器功率可擴(kuò)展到100MVA范圍而用于電力設(shè)備。因此,IGCT可望成為高功率高電壓低頻變流器的優(yōu)選電力電子器件之一。但是,從本質(zhì)上講,IGCT仍屬于GTO系列,它主要是克服了GTO實(shí)際應(yīng)用中存在的門極驅(qū)動(dòng)的難題。而IGCT門極驅(qū)動(dòng)電路中包含了許多驅(qū)動(dòng)用的MOSFET和儲(chǔ)能電容器,所以實(shí)際上它仍舊需要消耗較大的門極驅(qū)動(dòng)功率,影響系統(tǒng)的總效率。1.4igbt模塊自1985年絕緣門極雙極型晶體管進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用以來(lái),IGBT已經(jīng)成為主流電力電子器件,在10~100kHz的中壓、中電流應(yīng)用范圍占有十分重要的地位。IGBT及其模塊(包括IPMs)已經(jīng)涵蓋了0.6~6.6kV的電壓和1~3500A的電流范圍,應(yīng)用IGBT模塊的100MW級(jí)的逆變器也已有商品問世。IGBT是一種電壓全控器件,它的開通和關(guān)斷可以通過(guò)門極驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。IGBT相對(duì)比較容易驅(qū)動(dòng)并具有低的門極驅(qū)動(dòng)功率,IGBT變流器具有較高的功率密度和較低的成本。IGBT常常封裝成功率模塊形式。一個(gè)IGBT功率模塊內(nèi)實(shí)際包含很多的IGBT芯片,例如,一個(gè)比較典型的3300V/1200AIGBT模塊中就具有60塊IGBT裸芯片和超過(guò)450根連線。這些并聯(lián)的IGBT裸芯片固定在同一塊陶瓷襯底上,以保證良好的絕緣和導(dǎo)熱,這類模塊可以非常容易地安裝在散熱器上。但是,這種封裝結(jié)構(gòu)限制了IGBT模塊只能采取單面冷卻,這增加了在大電流條件下造成器件損壞的可能性。由此,進(jìn)一步發(fā)展了陶瓷封裝的雙面散熱IGBT模塊,這樣可以為中壓大功率應(yīng)用中提供與圓盤形密封、雙面壓接的晶閘管和GTO一樣的可靠性。雖然高功率的IGBT模塊具有一些優(yōu)良的特性,例如:能實(shí)現(xiàn)di/dt和du/dt的有源控制、有源箝位、易于實(shí)現(xiàn)短路電流保護(hù)和有源保護(hù)等,但是高的導(dǎo)通損耗、低的硅有效面積利用率、損壞后會(huì)造成開路等缺點(diǎn)局限了高功率IGBT模塊在高功率變流器中的實(shí)際應(yīng)用。在過(guò)去二十幾年間,基于功率MOSFET、IGBT和智能功率模塊的迅速發(fā)展,電力電子裝置的功率密度也隨之得到了顯著的提高。圖5為中功率電力電子裝置功率密度逐年提高的示意圖。另外,日本東芝公司推出了一種新的加強(qiáng)型IGBT(也叫IEGT),它在關(guān)斷損耗和導(dǎo)通電壓上均取得了很好的折衷,可望成為中功率應(yīng)用場(chǎng)合的優(yōu)選電力電子器件。1.5其他封裝材料和設(shè)備IEGT兼有IGBT和GTO兩者的某些優(yōu)點(diǎn):低飽和壓降,寬安全工作區(qū)(吸收回路容量?jī)H為GTO的1/10左右),低柵極驅(qū)動(dòng)功率(比GTO低2個(gè)數(shù)量級(jí)),和較高的工作頻率,由于該器件采用了平板壓接式電極引出結(jié)構(gòu),可望有較高的可靠性和良好的散熱效果。目前在母線直流電壓超過(guò)3kV的應(yīng)用場(chǎng)合,IGCT是大功率變流器的首選器件,而在母線電壓不超過(guò)3kV的應(yīng)用中,IGBT、IEGT模塊將具有優(yōu)勢(shì),特別是IGBT在短路限流制能力對(duì)于硬開關(guān)變流器具有很大的吸引力。雖然6.6kV的IGBT模塊已經(jīng)問世,但是其高昂的價(jià)格,要完全取代高功率GTO和IGCT還尚需時(shí)日。1.6功率器件的器件設(shè)計(jì)70年代功率MOSFET研究成功,它是典型的多數(shù)載流子器件,其靜態(tài)驅(qū)動(dòng)損耗近于零,而開關(guān)速度極快?？墒?對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的MOSFET工藝,其開關(guān)頻率和功率容量的乘積,器件耐壓和電流容量之間的矛盾受到材料極限的限制,如圖1所示。其通態(tài)電阻Rds正比于UB2.5,所以高壓功率MOSFET通態(tài)電阻較大,在開關(guān)電源中的應(yīng)用受到很大局限。盡管如此,功率MOSFET在各類開關(guān)電源、3C產(chǎn)品中占有巨大的市場(chǎng)。特別是超級(jí)結(jié)技術(shù)引入到MOSFETs后,上述材料極限已被突破。這類器件的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)在有源層內(nèi)引入三維PN結(jié)結(jié)構(gòu),降低PN結(jié)周圍的最大電場(chǎng)值。以SJ-MOSFET為例,它在寄生二極管的有源層中采用了垂直PN細(xì)條的三維結(jié)構(gòu),它能維持相同的阻斷電壓,但是由于通過(guò)減小垂直PN條的寬度,可以大幅度提高N型導(dǎo)電區(qū)的摻雜濃度,導(dǎo)通電阻得以成比例的減小。采用這個(gè)方法,當(dāng)前最優(yōu)秀的COOLMOS器件的單位面積導(dǎo)通電阻已經(jīng)降低到相同電壓等級(jí)傳統(tǒng)MOS器件的1/10以下,開關(guān)、驅(qū)動(dòng)損耗可降低2倍左右。該器件的問世為功率MOSFET的更廣泛應(yīng)用開辟了新的天地。當(dāng)前,傳統(tǒng)的硅基電力電子器件已經(jīng)逼近了由于寄生二極管制約而能達(dá)到的硅材料極限,為突破目前的器件極限,有兩大技術(shù)發(fā)展方向:一是如上文所述的采用各種新的器件結(jié)構(gòu);二是采用寬能帶間隙材料的半導(dǎo)體器件,如碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)器件。1.7碳化硅電力器件碳化硅材料相比于硅材料來(lái)說(shuō)具有許多重要的特性:更高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度2~4MV/cm;其最高結(jié)溫可達(dá)600℃等。眾所周知,半導(dǎo)體材料的特性對(duì)其構(gòu)成的電子器件表現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用,利用適當(dāng)?shù)膬?yōu)良指數(shù)可以對(duì)SiC和Si以及其他的普通半導(dǎo)體的理論特性進(jìn)行一個(gè)比較。圖6為以Si材料為歸一基準(zhǔn)的各種半導(dǎo)體材料的各種優(yōu)良指數(shù)對(duì)比圖:其中Johnson優(yōu)良指數(shù)(JFM)表示器件高功率、高頻率性能的基本限制;KFM表示基于晶體管開關(guān)速度的優(yōu)良指數(shù);質(zhì)量因子1(QF1)表示電力電子器件中有源器件面積和散熱材料的優(yōu)良指數(shù);QF2則表示理想散熱器下的優(yōu)良指數(shù);QF3表示對(duì)散熱器及其幾何形態(tài)不加任何假設(shè)狀況下的優(yōu)良指數(shù);Baliga優(yōu)良指數(shù)BHFM表示器件高頻應(yīng)用時(shí)的優(yōu)良指數(shù)。圖6表明,SiC材料具有比硅材料綜合的優(yōu)良特性。高壓Si器件通常用于結(jié)溫在200℃以下的情況,阻斷電壓限制在幾kV。由于較寬的能帶隙,SiC擁有較高的擊穿電場(chǎng)和較低的本征載流子濃度,這都使得器件能在高電壓、高溫下工作。SiC還由于有較高的飽和遷移速度和較低的介電系數(shù),使得SiC器件具有好的高頻特性。近年來(lái),作為一種新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料,碳化硅因其出色的物理及電特性,越來(lái)越受到產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。碳化硅電力電子器件的重要系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于具有高壓(達(dá)數(shù)十kV)高溫(大于500℃)特性,突破了硅基功率半導(dǎo)體器件電壓(數(shù)kV)和溫度(小于150℃)限制所導(dǎo)致的嚴(yán)重系統(tǒng)局限性。隨著碳化硅材料技術(shù)的進(jìn)步,各種碳化硅電力電子器件被研發(fā)出來(lái),由于受成本、產(chǎn)量以及可靠性的影響,碳化硅電力電子器件率先在低壓領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,目前的商業(yè)產(chǎn)品電壓等級(jí)在600~1700V。隨著技術(shù)的進(jìn)步,高壓碳化硅器件已經(jīng)問世,并持續(xù)在替代傳統(tǒng)硅器件的道路上取得進(jìn)步。隨著高壓碳化硅電力電子器件的發(fā)展,已經(jīng)研發(fā)出了19.5kV的碳化硅二極管,3.1kV和4.5kV的門極可關(guān)斷晶閘管(GTO),10kV的碳化硅MOSFET和13~15kV碳化硅IGBT等。碳化硅器件已經(jīng)在諸如高電壓整流器以及射頻功率放大器等領(lǐng)域有了商業(yè)應(yīng)用。它們的研發(fā)成功以及未來(lái)可能的產(chǎn)業(yè)化,將在高壓領(lǐng)域開辟全新的應(yīng)用。在過(guò)去的15年中,碳化硅器件在材料和器件質(zhì)量方面均取得了令未來(lái)應(yīng)用市場(chǎng)矚目的飛速發(fā)展。然而,目前碳化硅晶體缺陷和碳化硅晶片的高昂成本是其在電力電子器件上應(yīng)用的一個(gè)主要制約因素,要生產(chǎn)電流和電壓范圍適用于中壓驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合的器件的碳化硅材料和器件目前還相當(dāng)困難。盡管如此,碳化硅還是將來(lái)代替硅材料的最有前途的材料。如前所述,SiC具有高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度,因此,即使在比Si或GaAs更加薄(約為它們的1/10)的漂移層,SiC也能承受較高的電壓,因而具有較低的導(dǎo)通電阻。SiC肖特基二極管已接近于4H-SiC單極性器件的極限,耐壓已到達(dá)600V,目前這類產(chǎn)品正被Infineon和Cree等公司投入商業(yè)生產(chǎn)。SiC肖特基二極管能有效避免反向恢復(fù)問題,從而降低了二極管的開關(guān)功率損耗,使得該器件能應(yīng)用在開關(guān)頻率較高的電路中。在600~3300V阻斷電壓范圍,SiC結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管(JBS)是較好的選擇。JBS二極管結(jié)合了肖特基二極管所擁有的出色的開關(guān)特性和PN結(jié)二極管所擁有的低漏電流的特點(diǎn)。但是,SiCJBS二極管的處理工藝技術(shù)比SiC肖特基二極管要更加復(fù)雜。表2和圖7羅列了近來(lái)各類SiC二極管的各項(xiàng)性能比較。PN結(jié)二極管在3~4kV以上的電壓范圍具有優(yōu)勢(shì),由于內(nèi)部的電導(dǎo)調(diào)制作用而呈現(xiàn)出較低的導(dǎo)通電阻。Cree公司曾報(bào)道過(guò)一種在電流密度為100A/cm2,阻斷電壓為19.5kV的PN結(jié)二極管,其正向壓降僅為4.9V,這顯然都得益于電導(dǎo)調(diào)制作用。這種甚高壓二極管在諸如高直流電壓輸電等眾多場(chǎng)合中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。然而,甚高壓二極管一般主要應(yīng)用于電流在100A以上的情況。這就要求芯片面積在1cm2等級(jí)范圍內(nèi),考慮到SiC晶片襯底存在的諸如微管、螺旋、邊緣位錯(cuò)和低角度晶界等晶體缺陷問題,此類甚高壓二極管的商業(yè)化生產(chǎn)必需解決了前述這些晶體缺陷問題后才有可能。圖8為美國(guó)Cree公司和我國(guó)山東天岳公司SiC晶片微管缺陷密度改善趨勢(shì)圖。圖9為SiC半導(dǎo)體材料和器件發(fā)展過(guò)程示意圖。圖10為SiC電力電子器件價(jià)格發(fā)展的示意圖,由圖可知,碳化硅器件價(jià)格趨勢(shì)為:碳化硅二極管目前是硅肖特基二極管價(jià)格的5~7倍;碳化硅JFET是硅MOSFET價(jià)格的4~7倍;碳化硅MOSFET是硅MOSFET價(jià)格的10~15倍。圖11為對(duì)SiC電力電子器件市場(chǎng)的預(yù)測(cè)。1.8gan電力器件圖6關(guān)于不同半導(dǎo)體材料的各種優(yōu)良指數(shù)比較表明,GaN與SiC一樣,與硅材料相比具有許多優(yōu)良特性,但是由于它最初必須用藍(lán)寶石或SiC晶片作襯底材料制備,限制了其快速發(fā)展。后來(lái),它在LED照明應(yīng)用市場(chǎng)的有力推動(dòng)下,GaN異質(zhì)結(jié)外延工藝技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍,2012年GaN-on-Si外延片問世,為GaN材料及器件大幅度降低成本開辟了廣闊的道路,隨之GaN電力電子器件也得到業(yè)界熱捧。圖12為GaN半導(dǎo)體材料和器件發(fā)展過(guò)程示意圖。圖13為GaN-on-Si電力電子器件市場(chǎng)的預(yù)測(cè)示意圖。由于GaN器件只能在異質(zhì)結(jié)材料上制造,所以其只能制作橫向結(jié)構(gòu)的電力電子器件,耐壓很難超過(guò)1kV,因此在低壓應(yīng)用要求較苛刻的場(chǎng)合可能會(huì)與硅基電力電子器件形成競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì),圖14為從事GaN器件研發(fā)人士的角度出發(fā)對(duì)未來(lái)GaN電力電子器件發(fā)展的預(yù)測(cè)。從目前發(fā)展情況來(lái)看,最有前途的GaN電力電子器件是增強(qiáng)型氮化鎵功率MOSFET(enhancement-modeGaN(eGaN)MOSFET)。它的結(jié)構(gòu)示意圖如圖15所示,可見與橫向SiMOSFET結(jié)構(gòu)完全相同,但由于GaN更加優(yōu)異的電氣特性,可望在中高端應(yīng)用中對(duì)SiCOOLMOS造成挑戰(zhàn)。用eGaNMOSFET及用CoolMOS制成的DC/DC變流器電源電壓–效率–工作頻率比較如圖16所示,在48V供電電壓下,在300~800kHz頻率范圍用eGaNMOSFETDC/DC變流器效率可以提升6%~8%。1.9sic與gan寬禁帶電力器件的未來(lái)發(fā)展展望以硅晶閘管為代表的半控型器件已達(dá)到7uf0b4107W/9000V的水平,各種類型的晶閘管已經(jīng)廣泛、成功地用于許多傳統(tǒng)晶閘管應(yīng)用及高壓直流輸電和無(wú)功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域。雖然它受到了全控器件應(yīng)用的沖擊,但由于它技術(shù)的成熟性和價(jià)格優(yōu)勢(shì),今后仍舊有較好的市場(chǎng)前景,特別在高電壓、大電流應(yīng)用場(chǎng)合還會(huì)得到繼續(xù)發(fā)展。以功率MOSFET、IGBT和GTO(包括IGCT)為代表的全控器件也發(fā)展到了十分高的水平。當(dāng)前,硅基電力電子器件的水平已基本上穩(wěn)定在109~1010Wuf0d7Hz左右,逼近了由于寄生二極管制約而能達(dá)到的Si材料極限。它們的飛速發(fā)展使當(dāng)今無(wú)論高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,還是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),特別是一些重大工程(三峽、特高壓、高鐵、西氣東輸?shù)?,乃至照明、家電等量大面廣的與人民日常生活密切相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域,電力電子產(chǎn)品已經(jīng)無(wú)所不在,電力電子已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)技術(shù),是現(xiàn)代科學(xué)、工業(yè)和國(guó)防的重要支撐技術(shù)。這些硅基全控型電力電子器件本身的技術(shù)、制造工藝雖然發(fā)展空間已經(jīng)不太大了,可是它們的待開發(fā)的應(yīng)用空間仍舊十分廣闊,應(yīng)用市場(chǎng)前景無(wú)限好。SiC和GaN寬禁帶電力電子器件代表著電力電子器件領(lǐng)域發(fā)展方向,材料和工藝都存在許多問題有待解決,即使這些問題都得到解決,它們的價(jià)格肯定還是比硅基貴。由于它們的優(yōu)異特性可能主要用于中高端應(yīng)用,與硅全控器件不可能全部取代硅半控器件一樣,SiC和GaN寬禁帶電力電子器件在將來(lái)也不太可能全面取代硅功率MOSFET、IGBT和GTO(包括IGCT)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,有可能形成如下一種格局:SiC電力電子器件將主要用于1200V以上的高壓工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域;預(yù)計(jì)到2019年,硅基GaN的價(jià)格可能下降到可與硅材料相比擬的水平,GaN電力電子器件將主要用于900V以下的消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)/服務(wù)器電源應(yīng)用領(lǐng)域。2國(guó)防武器裝備安全應(yīng)用現(xiàn)狀如前所述,電力電子器件及其應(yīng)用裝置已日益廣泛地應(yīng)用和滲透到能源、交通運(yùn)輸、環(huán)境、先進(jìn)裝備制造、激光、航空航天及航母、艦船、坦克、第五代戰(zhàn)機(jī)、激光炮、電磁炮等現(xiàn)代化國(guó)防武器裝備諸多重要領(lǐng)域,它們涉及到許多電力電子共性基礎(chǔ)技術(shù)和形形色色電力電子裝置和應(yīng)用系統(tǒng),本文限于篇幅對(duì)各種應(yīng)用不作詳細(xì)展開,僅對(duì)當(dāng)前一些電力電子應(yīng)用熱點(diǎn)進(jìn)行探討。2.1海上風(fēng)電鉆機(jī)在世界范圍內(nèi)的地位將更加廣泛風(fēng)能是世界各國(guó)能源中增長(zhǎng)最快的一種。截至2012年底,全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)282.43GW,其中,中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)位居世界前3名,德國(guó)提出2020年可再生能源發(fā)電占到電力消費(fèi)35%,其中50%來(lái)自風(fēng)電。《2012年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)》報(bào)告表明,2012年,中國(guó)(不包括臺(tái)灣地區(qū))累計(jì)裝機(jī)容量75.3GW。盡管受到中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)調(diào)整政策的影響,中國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率將經(jīng)歷一個(gè)相對(duì)減慢的時(shí)期,但是預(yù)計(jì)2015年累計(jì)裝機(jī)容量仍將達(dá)到134GW,2020年達(dá)到230GW,2030年接近500GW,屆時(shí)將首次超過(guò)經(jīng)合組織歐洲397GW的規(guī)模,僅次于經(jīng)合組織北美地區(qū)666GW的預(yù)期。全球海上累計(jì)裝機(jī)容量約5.41GW,截至2012年底,英國(guó)海上累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)29.5GW,位居世界第一位,截至2010年底,我國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)容量?jī)H為142.5MW,在2010年全球海上風(fēng)電裝機(jī)總量中占4%左右。風(fēng)電的裝機(jī)成本也逐年下降,它是當(dāng)前唯一在發(fā)電裝機(jī)成本上可能與火力發(fā)電相媲美的一種新能源發(fā)電,如圖17所示。目前風(fēng)力發(fā)電和電網(wǎng)兼容的問題受到了業(yè)界極大的關(guān)注,一方面,風(fēng)力發(fā)電不能適應(yīng)較大的電網(wǎng)電壓和頻率暫態(tài)變化,同樣風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)也會(huì)造成沖擊。另外,在世界范圍內(nèi)大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用風(fēng)能的今天,如何合理評(píng)估風(fēng)力發(fā)電對(duì)生態(tài)的影響并加以開發(fā)利用,也顯得日益重要。風(fēng)是由于地球表面氣流的運(yùn)動(dòng)形成的,如果人們大規(guī)模地、不合理地亂設(shè)風(fēng)場(chǎng)、濫用風(fēng)能,有可能使地球表面的氣流發(fā)生人們預(yù)想不到的改變,可能使人們賴以生存的氣候和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。因此,大規(guī)模風(fēng)場(chǎng)的設(shè)立和風(fēng)能利用應(yīng)當(dāng)有環(huán)境、氣象科研部門的積極參與和經(jīng)過(guò)認(rèn)真的科學(xué)論證,如果能將風(fēng)電開發(fā)利用和改造人居環(huán)境密切結(jié)合將是最理想的做法。2.2光伏發(fā)電技術(shù)展望20世紀(jì)50年代,太陽(yáng)能利用領(lǐng)域出現(xiàn)了兩項(xiàng)重大技術(shù)突破:一是1954年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出6%的實(shí)用型單晶硅光伏電池;二是1955年以色列Tabor提出選擇性吸收表面概念和理論,并研制成功選擇性太陽(yáng)吸收涂層。這兩項(xiàng)技術(shù)的突破為太陽(yáng)能利用進(jìn)入現(xiàn)代發(fā)展時(shí)期奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。從第一次空間應(yīng)用到現(xiàn)在,光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)經(jīng)歷了近50年的發(fā)展歷史。過(guò)去10年,是強(qiáng)勁增長(zhǎng)的10年,同時(shí)預(yù)計(jì)這種增長(zhǎng)仍將在未來(lái)數(shù)年內(nèi)持續(xù)。70年代以來(lái),鑒于常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力的增加,世界上許多國(guó)家掀起了開發(fā)利用太陽(yáng)能的熱潮。2006年全球光伏電池的實(shí)際產(chǎn)量達(dá)到了2.6GW,截至2011年底,全球累計(jì)光伏裝機(jī)量已達(dá)到67.4GW,成為僅次于生物質(zhì)能和風(fēng)電的第3大可再生能源。傳統(tǒng)歐洲市場(chǎng)仍然是2011年全球光伏發(fā)電裝機(jī)市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿?2011年歐洲地區(qū)21GW的光伏發(fā)電裝機(jī)量占到了全球總裝機(jī)的約75%,其中德國(guó)和意大利光伏裝機(jī)為16.5GW,占全球光伏裝機(jī)量的近60%。截至2011年底,中國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)量累計(jì)達(dá)3GW,較2010年增長(zhǎng)了三倍多。2012年中國(guó)光伏裝機(jī)量累計(jì)達(dá)4.5GW。2013年7月15日,我國(guó)出臺(tái)了《國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》,提出到2015年總裝機(jī)容量要達(dá)到35GW以上。圖18為2003—2017年全球光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量示意圖。圖19為目前市場(chǎng)上已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的各類光伏電池:單晶硅光伏電池(轉(zhuǎn)換效率14%~20%)、多晶硅光伏電池(轉(zhuǎn)換效率11%~16%)、薄膜硅光伏電池(轉(zhuǎn)換效率5%~8%)、碲化鎘薄膜光伏電池(轉(zhuǎn)換效率9%~11%)和銅銦鎵硒薄膜光伏電池(轉(zhuǎn)換效率10%~12%)。當(dāng)前單晶硅光伏電池占有80%以上的光伏發(fā)電市場(chǎng)份額,仍是當(dāng)前光伏發(fā)電的主體,如圖20所示。表3為當(dāng)前各種光伏電池主要優(yōu)缺點(diǎn)比較。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,我們的看法是:1)期望用硅光伏電池來(lái)解決發(fā)電的問題從根本上講是不現(xiàn)實(shí)的,因?yàn)橹圃煲粔K硅光伏電池實(shí)際需要花費(fèi)的電力(沙子–二氧化硅–工業(yè)級(jí)多晶硅–高純多晶硅–單晶硅–單晶硅片–單晶硅光伏電池每道工藝過(guò)程均需要消耗大量電力)可能比它所能發(fā)出的電力還要多。因此,硅光伏電池光伏發(fā)電將主要用于特殊地區(qū)的發(fā)電及改造環(huán)境的需要。2)太陽(yáng)能光伏發(fā)電最有應(yīng)用前途的是光伏建筑一體化應(yīng)用。它是結(jié)合光伏電池發(fā)電和建筑物外墻的功能,將光伏電池組件裝置在建筑物上,使其起到既可以發(fā)電又可以代替建筑材料的雙重用途。在土地價(jià)格昂貴的地區(qū),光伏建筑一體化是解決土地成本過(guò)高和整合發(fā)電運(yùn)送的最佳方案,建筑業(yè)已開始使用薄膜光伏電池,因?yàn)樗饶馨l(fā)電又可降低二氧化碳的排放量,這是未來(lái)一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。依照安裝位置的不同,光伏建筑一體化可以有很多種類型,如與屋頂結(jié)合、與外墻結(jié)合、與遮陽(yáng)裝置結(jié)合、做玻璃幕墻用等。光伏建筑一體化具有如下優(yōu)點(diǎn):節(jié)省光伏電池支撐結(jié)構(gòu),并可替代屋頂、墻面、窗戶等建材;節(jié)省光伏電池安裝成本;有效利用建筑物的表面積,不需另外占用土地;可以遮陽(yáng),降低建筑物外表溫度;增加建筑物美觀;將太陽(yáng)能和建筑物結(jié)合,使建筑物能有自己的電源供應(yīng),特別在我國(guó)這樣一個(gè)幅員廣闊、人口眾多的國(guó)家將會(huì)在很大程度上解決電能供給的難題。薄膜光伏電池有非晶硅(amorphusSilicon,a-Si);微晶硅(NanocrystalineSilcon,nc-Si,MicrocrystallineSilicon,mc-Si);無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體(CdS、CdTe(碲化鎘))、CIGS(銅銦鎵硒化物);色素敏化染料(Dye-Sensitized)和有機(jī)高分子(Organic/Polymer)光伏電池等多種類別。其中,目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的薄膜光伏電池有非晶硅、微晶硅、無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體、CIGS光伏電池等。色敏染料和有機(jī)高分子光伏電池尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。2010年12月6日,全球重要的銅銦鎵硒CIGS(Cu(In,Ga)Se2)薄膜光伏電池制造商MiaSolé宣布,經(jīng)美國(guó)能源部下屬的國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室證實(shí),該公司生產(chǎn)的銅銦鎵硒薄膜光伏電池轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到了15.7%。據(jù)悉,這是當(dāng)前薄膜組件在商業(yè)運(yùn)用中已被證實(shí)的最高轉(zhuǎn)換效率。雖然許多數(shù)據(jù)表明,無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體(CdS、CdTe(碲化鎘))、CIGS(銅銦鎵硒化物)薄膜光伏電池具有許多如表3所示的優(yōu)點(diǎn),但是由于它們存在材料來(lái)源稀缺或有毒和會(huì)造成環(huán)境污染等致命缺點(diǎn),推廣應(yīng)用速度不快。隨著技術(shù)的進(jìn)步,薄膜光伏電池產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率可望穩(wěn)定達(dá)到10%以上,加上它們?cè)瓉?lái)就具有低成本、總耗電量小、可大規(guī)模量產(chǎn)等一系列的優(yōu)點(diǎn),組件售價(jià)可望降到l$/W以下,發(fā)電成本也就可望降到8￠/(kWuf0d7h)以下,和現(xiàn)有傳統(tǒng)電力相比是具有競(jìng)爭(zhēng)力的。圖21為全球當(dāng)前各類光伏電池產(chǎn)業(yè)化/實(shí)驗(yàn)室研發(fā)水平進(jìn)程示意圖,圖中EmergingPV表明各種目前尚處于實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)階段的有機(jī)/非有機(jī)薄膜光伏電池的技術(shù)現(xiàn)狀,從圖可見,目前EPFL研發(fā)的色素敏化染料薄膜光伏電池轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到14.1%,多個(gè)實(shí)驗(yàn)室制作的有機(jī)高分子(Organic/Polymer)和非有機(jī)高分子(Inorganic)薄膜光伏電池轉(zhuǎn)換效率均已達(dá)到10%以上,距離實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并不遙遠(yuǎn)。2.3我國(guó)電動(dòng)助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀汽車是人們生活的重要交通工具,隨著人們生活水平的提高,越來(lái)越多的人開始購(gòu)買汽車。但是,汽車的大量使用帶來(lái)了能源消耗、資源短缺、環(huán)境污染等一系列問題,這些問題促使各大汽車公司競(jìng)相研制各種新型無(wú)污染的環(huán)保車。而電動(dòng)汽車是以電能為動(dòng)力,通過(guò)電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,這完全符合零污染汽車的理念。因此,電動(dòng)汽車作為解決資源短缺、環(huán)境污染等問題的重要途徑,得到了快速發(fā)展。國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車發(fā)展從動(dòng)力上來(lái)說(shuō),目前主要分為3種類型:純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車和混合動(dòng)力汽車。純電動(dòng)汽車完全由二次電池(蓄電池)提供動(dòng)力;燃料電池汽車以燃料電池作為動(dòng)力源,利用燃料和氧化劑在催化劑作用下直接經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能;混合動(dòng)力汽車則采用內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種動(dòng)力,將內(nèi)燃機(jī)與儲(chǔ)能器件通過(guò)先進(jìn)控制系統(tǒng)相結(jié)合。近年來(lái),隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)的加劇,世界各國(guó)在電動(dòng)汽車的研發(fā)布局中出現(xiàn)了三者并駕齊驅(qū)的局面,電動(dòng)汽車正朝產(chǎn)業(yè)化方向一步步邁進(jìn)。國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車的研究始于20世紀(jì)60年代,但當(dāng)時(shí)的研究開發(fā)都是零散和小規(guī)模的,投入也很少。自1980年開始,我國(guó)開始掀起電動(dòng)汽車的研究高潮,電動(dòng)汽車被國(guó)家列為“八五”、“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)一些科研院所和生產(chǎn)企業(yè)相繼開始