电力电子技术器件的现状与发展趋势

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1、 电力电子技术器件的现状与发展趋势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; 节约能源；电力电子器件; New Trends of DeveloPment Of Electronic TechnologyAbstract:Power electronic techology play very important r

2、oles in the technology ofsaving power and green power supply. It has developed into one of the most important and the most active branch of electric engineering subject. In recent years, power electronics device in terms of performance obtained the very big enhancement，The future of the mainstream o

3、f development is to improve the current and voltage level, improve the working frequency, reduced volume, highly modular and high work efficiency, and according to the need of the power electronic device to coordinate the relationship between the voltage, current and frequency.Key word:Power electro

4、nic： save energy ；Power electronic devices（文献2）引言：所谓电力电子技术就是使用电力半导体器件与电子技术对电气设备的电功率进行变控制的技术。它以实现“高效率用电和高品质用电”为目标，是一门综合电力半导体器件、电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术等许多学科的交叉学科。电力电子器件是电力电子技术的基础和源头。在电力电子器件中，GTO 晶闸管、整流管、IGCT、GTR 的发展速度减缓；,MOS场控半导体器件以其优异的特性已成为主流器件，并将成为未来电力半导体器件研究的主流。对IGBT,MOSFET 和IECT 这些以 ,MOSFET 作为控制级，且具有

5、高的工作频率的器件，其研究的核心是提高电压和电流容量；静电感应类电力半导体SIT、SITH的研究将受到重视电力电子技术是电子学发展的新领域.近年来,国外电力电子产品的开发和电力电子技术的应用有了很大的发展.本文就国外电力电子技术发展现状、前景预测、产品市场与对策措施进行分析和比较,并提出国()电力电子技术和器件的发展目标与发展重点。由于电能是人类活动的主要能源,而电力电子技术能有效地节能降耗,所以被看作是国民经济各部门、国防建设和人民生活中一项重要的基础技术。（文献4文献5）（文献7）1.国外电力电子技术发展现状与走势1.1 电力电子器件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-

6、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。根据可控程度以与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2O世纪5O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2O世纪7O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围。(2)全控型器件一一第二代电力电子器件从2O世纪7O年代后期开始，可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR或BJT)与其模块相继实用化。此后，各种高频率的全控型器件不断问世，并得到迅速发

7、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(Insulated Gate Bipolar Transistor)。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

8、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(Power Intergrated Circuit)为代表，其不仅把主电路的器件，而且把驱动电路以与具有过压过流保护，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。（文献6）1.2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

9、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GTO、SITH、MCTH这一系列新型电力电子器件与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

10、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。1.3国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与节能技术。（文献11）我国在60年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。

11、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任务,即从我国实际情况出发,以国外两个市场为导向,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

12、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。（文

13、献3）2.存在的问题目前对电力电子装置的保护措施与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 ，以与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 。一般分析 电力 电子装置开关切换后的过渡过程 时 ，只考虑 电路和 电机 的集总参数 ，可是在探讨各种可能损坏器件 的原 因时 ，这 样做就不够 了。器件 在开关过

14、程 中所承受的脉冲 电压 可表示为：，J ，|dt At其 中L是器件引线 电路 的电感 。假定i1000A，当A t=1ms，L=1mH时，代入上式可得脉冲 电压 v=1000V。对于开关速度更快 的器件 ，若 t=1“S，电感 只要 1H，脉冲电压就有 1000V；而 10 H的 电感所 引起的脉冲尖峰就有 10000V，足 以击穿通常的低压器件了。一般引线的分布电感常常是 H级的 ，要确保可靠性就必须考虑这样的分布 电感 。与此相仿 ，还须考虑导线和绕组之间和对地的分布 电容以与器件 输入 端的结 电容 。这样一 来，电力 电子装置的模 型就复杂多了。从 以上两类具 体问题 中可以看出

15、，要深入研 究电力 电子科学 ，还有许多工作可做 ，有待于各位年富力强 同志的努 力 。（文献8）3.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：3.1复合型电力电子器件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。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）、耐压高、电流大。IGB

16、T有望用于直流电压为1500V的高压变流系统中。MCT：MOS控制晶闸管 MCT(MOS-Controlled Thyristor)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。MCT器件的最大可关断电流已达到300A，最高阻断电压为3KV，可关断电流密度为325A/cm2，且已

17、试制出由12个MCT并联组成的模块。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。IEGT：电子注入增强栅晶体管EGT(Injection En

18、hanced Gate Transistor)是耐压达4KV以上的IGBT系列电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。 IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点，以与采用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。IPEM：集成电力电子模块 IPEM(Intergrated Power Elactronics Modules)是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块

19、。它首先将半导体器件MOSFET、IGBT或MCT与二极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与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，提高了系统效率与可靠性。 PEBB：电力电子积木 PEBB(Power Electric Building Block)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

20、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。（文献9）3.2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）、磷化铟（InP）与锗化硅（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。

21、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

22、，应用领域将会不断扩大。 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、功率MOSFET（175V/2A、600V/1 8A）、SIT（600MHz/225W/200V/fmax=4GHz）、PN结二极管（300K温度下耐压达4 5kV）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

23、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。 锗化硅材料 据报道，德国TenicTelefunkenMicroelectronic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。 3.3发展方向（1）集成化 高度的集成化能是体积更小，重量更轻，功率密度更高，性能更好（2）智能化

24、电力传动系统的智能化，使其更具自动调节能力，从而获得更高的性能指标，包括高效率，搞功率因数，宽调速围，快速准确的动态性能和搞故障容错能力等。（3）通用化 更有效地扩大应用围，从而降低生产制造成本。（4）信息化 现代信息通讯技术渗透到电力传动系统中，使其不但是转换，传送能量的装置，也成为传递和交换信息的通道。这就扩展了电力传动系统的涵和外延，大大提高了电力传动系统的效用。 与此同时，在电力电子的发展过程中还应该解决其电路理论进展所遇到的问题：对于高电压，大电流的问题关键是要生产出耐高压，能承受大电流的电力电子器件与其串并联技术。电力系统须保证所有用户长期稳定的供电，因此，用以电力系统的电力电子装

25、置的可靠性十分重要。随着电力电子器件应用领域极为广泛由上图可见包括电力机车。电动机车、马达控制、机器人、照明电子，开关电源和微波功放等。线性负荷的电子设备,诸如整流设备、变频器、各类电源与电子镇流器等,使供电网络的电压和电流的正弦波发生畸变一一谐波,谐波阻碍电能的合理高效利用,还会引发不安全事故,因此各国都把电网中的谐波视为电力污染和公害,都在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的高品质用电问题。（文献10）4.结束语随着科学技术的发展，电力电子技术所起的作用越来越大。在当今高新技术系统中不可或缺，其应用领域几乎涉与到国民经济的各个工业部门。但是目前电力电子技术的发展遇

26、到了或多或少的问题急需解决。这就要求我们年轻一代不断地以科学研究的精神去解决这些问题，实现突破。其重点的发展方向在于发展与能源直接相关的一些大功率乃至超大功率电力电子应用系统技术的研究。（文献1）参考文献：1 友均 电力电子技术的发展与应用趋势EB/OL百度文库 发布于 2013-1-232亚峰 奋翘 电力电子技术发展趋势新趋势 工商职业技术学院机电工程系,3150123肖元真 慎德 电才电子技术和器件的现状、市场与走势 科学学研究所 4罗飞路 雄恒 江龙 电力电子技术现状和未来 电气时空5 茂娥 电力电子技术在我国的发展现状与对策 省青年管理干部学院6王胜权 劲 小旭 电力电子技术与其应用

27、中国矿业大学信电学院7 王兆安 关于我国电力电子技术发展之刍议 交通大学8伯时 浅谈电力电子技术和科学发展问题 电力电子学会第11届学术年会大会报告9现兵 师宇杰 王 黄娟现代电力电子器件的发展与现状解放军信息工程大学10 鹿生 新型电力电子器件与其应用 电力电子新技术研究开发中心副总工11 王兆安 我国电力电子技术的新进展 交通大学附：新型电力电子器件产业化国家重点支持项目（一）芯片产业化：绝缘栅双极晶体管（IGBT）、金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）、快恢复二极管（FRD）、功率集成电路（PIC）、门极换流晶闸管（IGCT）等产品的芯片设计、制造、封装测试和模块组装；（二）模块产业化：电力电子器件系统集成模块，智能功率模块（IPM）和用户专用功率模块（ASPM）。（三）应用装置产业化：重点围绕电机节能、照明节能、交通、电力、冶金等领域需求，支持应用具有自主知识产权芯片和技术的电力电子装置。（四）专用工艺设备和测试仪器产业化：电力电子器件生产专用工艺设备；专用检测仪器。9 / 9