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电力电子器件技术发展重点

2010年04月22日 16:41:58 中国传动网

    电力电子器件为效率高、体积小、性能可靠的电源适配器发展提供了可靠的基础。现在的电源适配器不仅要求效率高,而且要求具有功率因数校正功能和适应全球电源电压范围。 MOSFET与IGBT MOSFET经近30年的发展,性能不断得到改进,耐压的提高、栅极抗静电击穿能力的提高、导通电阻的减小、栅极电荷与密勒电荷的减小、寄生二极管的反向恢复特性的改善。现在MOSFET,其低耐压器件的额定电流下的导通压降已是所有的电力电子器件中最低的,甚至栅极可以用0.7V电压驱动。高压器件也由于Coolmos的问世,其额定电流下的导通压降降低50%~70%(600V器件由12V~13V下降到约6V,800V器件约20V下降到约7.5V);IGBT也通过20多年的发展从无抗短路能力到具有抗短路能力、从存在“二次击穿”现象到无“二次击穿”现象、从存在电流擎住现象到无电流擎住现象、导通压降的降低、栅极电荷的减小、开关速度的提高和拖尾电流的减小(开关损耗的减小)。极大地提高了IGBT的性能。耐压最高也达6500V,最大额定电流也提高到2400A。 从SCR到GTO再到IGCT门极可关断晶闸管器件在大功率晶体管技术基础上可以制造出门极可关断晶闸管(GTO),到了超大规模集成电路、线条宽度亚微米时代,可制造出集成化门极可关断晶闸管(IGCT)。从SCR到GTO是由门极不可关断到门极可关断,而从GTO到IGCT则是更可靠、更方便地关断。 快速二极管的发展快速二极管向快速、软恢复、低压降发展。MOSFET、IGBT问世后,由于MOSFET、IGBT开关速度太快,是快速二极管的反向恢复成为功率变换器换相损耗和电磁干扰的主要原因,甚至在IGBT问世初期忽略了普通快速二极管的反向恢复与IGBT的快的开通速度之间的矛盾,在IGBT开通过程中普通快速二极管的反向恢复造成瞬态短路而常出现功率变换器无故损坏的现象,因而现在的IGBT模块均为IGBT与超快速二极管的组合。在功率因数校正技术中也要求提升二极管的超快速和超软恢复,由于600V耐压为超快速二极管的反向恢复特性已不能满足高性能的要求,现多选用一个封装内两个300V超快速二极管相串联的功率因数专用超快速二极管,但导通压降上升到3V~4V(在功率因数校正技术中是允许的)。去年问世的碳化硅SBD由于耐压高、反向恢复特性极好并且导通压降接近于低压超快速二极管,应用碳化硅SBD,可使功率因数校正电路的性能更好。 模块化、智能化电力电子器件向模块化、智能化发展。将多个电力电子器件封装在一个壳内构成电力电子模块,例如:将两个二极管或IGBT构成半桥桥臂、四或六个二极管组成一个单相或三相桥式整流器、六个IGBT构成三相桥式逆变器、单相整流桥或三相整流桥六个IGBT构成的桥式逆变器和一个制动用IGBT,按预定要求将电路内部连接好后制造成为一个变频器专用的电力电子模块等。这样可以使电力电子设备的结构得到极大地简化,体积和重量也大大减小。如果将过热保护电路、过电流保护电路以及栅极驱动电路等封装在模块内即构成智能化电力电子模块(IPM),IPM进一步简化了电路结构。经常可以看到小功率变频器仅仅是一块控制电路板和一个IPM模块构成。 交流电机变频调速技术在交流电机变频调速领域,上世纪70年代,交流电动机的变频调速技术还是利用晶闸管(SCR)变频器苦苦挣扎,使变频调速成为技术上的阳春白雪和实用中的鸡肋。社会迫切需求中小功率的变频器,从而推动了大功率晶体管模块(GTR)的问世和发展,同时也极大地推动了中小功率变频器的快速发展,使其真正地步入实用化。在晶体管变频器的使用过程中也发现了(GTR)的导通损耗较大,所需的驱动功率大的问题,迫切需要导通损耗较小、驱动功率小的器件。在功率MOSFET问世后又派生出绝缘栅极双极型晶体管(IGBT),上世纪80年代末IGBT的性能已全面超过GTR,于上世纪90年代中期IGBT无论在性能上还是在价格上全面超过GTR(目前的低压降型IGBT的导通压降已不到2V,远低于GTR的5V),使GTR惨遭淘汰。IGBT进入变频器领域,使变频器的性能得到质的飞跃和廉价化。变频器的廉价化使其应用更加广泛,在很多环境恶劣应用中要求变频器具有承受外界短路能力的需求,推动了具有抗短路能力的IGBT,时值今日变频器中的IGBT无一例外地采用了推动了具有抗短路能力的IGBT。
  受到380V电网的变频器的广泛应用的鼓舞,中高压变频器也迫切需要脱离不能自关断的SCR束缚。尽管GTO可以解决中高压变频器的器件门极可关断问题,但GTO自身结构的缺陷使驱动电路和电路结构的技术要求极高,不能被大多数电力电子工程师掌握,只能掌握在少数公司。为降低技术难度的门槛,本世纪初,在MOS控制晶闸管(MCT)和GTO基础上的IGCT问世。IGCT继承了SCR的低导通压降又得益于超大规模集成电路技术,使得IGCT可以通过门极控制方便地关断IGCT。得益于IGCT,中高压变频器的大规模应用得以实现。可以相信IGCT必将取代GTO。 电能质量控制   电力电子器件的发展促进了电能质量控制:在相位无功补偿领域,SCR的应用,以晶闸管控制电抗器(CTR)和晶闸管投切补偿电容器(TSC)为代表的静止无功补偿技术基本上结束了旋转的同步补偿机使命。而应用GTO、IGCT则可以实现任意波形无功补偿器,可以补偿电力网中日益增加的非线性负载造成的电流波形畸变,进一步提高电网质量和可靠性。通过上述技术可以实现柔性输电,增加电网的输电能力和可靠性。以上的相位无功补偿和电流畸变无功补偿的静止无功补偿技术将是今后飞速发展的电力电子技术热门课题之一。 电子线路的供电技术   电力电子器件的发展促进了电子线路的供电技术的发展。电力电子器件性能的改进使电子线路的供电方式由整机集中供电方式而改进为分布式板上供电方式,进而又进步为单元电路供电方式,其每一次进步都使电路的可靠性和供电质量得到提高,以高性能电力电子器件为前提条件的电源模块问世也使电路设计得到极大地简化。
  电源模块需要高性能电力电子器件。近年来MOSFET、FERD、SBD性能的进一步提高,使电源模块的尺寸进一步减小、效率进一步提高。48V以下的DC/DC电源模块已由原来的封闭式发展到开放式。  笔记本电脑、液晶显示器/电视、等离子电视等电子设备需要效率高、体积小、性能可靠的电源适配器(adapter),高性能的电力电子器件为其发展提供了可靠的基础。现在的adapter不仅要求效率高,而且要求具有功率因数校正功能和适应全球电源电压范围。
   模块化提高了电路性能,减小了体积。电力电子器件的模块化将数只电力电子器件封装在同一外壳内,简化了电路结构、减小了寄生参数,提高了电路性能,甚至可以将全部电力电子器件封装在同一外壳内。 背景链接 电力电子器件应用注意事项在电力电子电路中电力电子器件选择不当将会影响电力电子电路的性能甚至可靠性降低。适当的栅极驱动速度: MOSFET、IGBT的开关速度快有利于降低器件的开关损耗,因而要求栅极驱动速度快。然而栅极驱动速度太快时将造成器件在开关过程中由于内部的栅极内阻和栅极电荷的RC充/放电过程的延迟而造成靠近栅极电极引出端区域首先开通或关断,远离栅极电极引出端区域最后开通/关断,可能会出现开通或关断构成的电流分布不均而损坏器件,特别是芯片尺寸较大的器件。适当选用新一代器件:  对于更新换代快的电力电子器件,在电力电子产品设计时应注意适当选用问世年代较晚的器件。例如2001年的耐压1200V的低导通压降IGBT的导通压降约1.7V~1.8V,而1999年的耐压1200V的IGBT的导通压降约2.1V~2.2V;1994年前的IGBT不具备抗短路能力,但现在的IGBT模块无一例外地具备抗短路能力;在栅极电荷方面现在MOSFET是上世纪90年代的MOSFET减小50%以上,反向传输电荷减小60%以上;MOSFET的导通电阻减小约50%以上;反向寄生二极管也由标准恢复二极管改进为快速恢复二极管,改善了换相特性。拆机件不能用于产品:与小信号半导体器件不同,电力半导体器件均有热循环寿命限制。当电力电子产品的使用寿命结束,其中的电力电子器件的热循环寿命也基本终了,拆下来再用于电力电子产品,这时的电力电子产品的使用寿命将得不到保证,质量得不到保证

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