各種電力電子器件技術(shù)特點的比較及應(yīng)用(共8頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電力牽引交流傳動及其控制系統(tǒng)報告 各種電力電子器件技術(shù)特點的比較及其應(yīng)用電力電子器件及其應(yīng)用裝置已日益廣泛，這與近30 多年來電力電子器件與電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和電力電子的重要作用密切相關(guān)。20 世紀80 年代以后，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、文化、軍事等各方面帶來了革命性的影響。電子技術(shù)包含兩大部分：信息電子技術(shù)(包括：微電子、計算機、通信等)是實施信息傳輸、處理、存儲和產(chǎn)生控制指令；電力電子技術(shù)是實施電能的傳輸、處理、存儲和控制，保障電能安全、可靠、高效和經(jīng)濟地運行，將能源與信息高度地集成在一起。事實表明，無論是電力、機械、礦冶、交通、石油

2、、能源、化工、輕紡等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是通信、激光、機器人、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?，實現(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)成為弱電控制與強電運行之間、信息技術(shù)與先進制造技術(shù)之間、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)自動化、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。而新型電力電子器件的出現(xiàn)，總是帶來一場電力電子技術(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，它對裝置的總價值，尺寸、重量、動態(tài)性能，過載能力，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

3、子領(lǐng)域極為活躍的主要課題之一。一個理想的功率半導(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，具有短的開、關(guān)時間，能承受高的di/dt 和du/dt，具有低的開關(guān)損耗；運行時具有全控功能和良好的溫度特性。自 20 世紀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到上述理想目標做出了不懈努力，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80 年代中期，4.5kV 的可關(guān)斷晶閘管得到廣泛應(yīng)用，并成為在接下來的10 年內(nèi)大功率變流器的首選器件，

4、一直到絕緣柵雙極型晶體管的阻斷電壓達到3.3kV 之后，這個局面才得到改變。與此同時，對GTO 技術(shù)的進一步改進導(dǎo)致了集成門極換流晶閘管的問世，它顯示出比傳統(tǒng)GTO 更加顯著的優(yōu)點。目前的GTO 開關(guān)頻率大概為500Hz，由于開關(guān)性能的提高，IGCT 和功率IGBT 的開通和關(guān)斷損耗都相對較低，因此可以工作在13kHz 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1091010WHz 左右，已逼近了由于寄生二極管制約而能達到的硅材料極限，不難理解，更高電壓、更好開關(guān)性能的電力

5、電子器件的出現(xiàn)，使在大功率應(yīng)用場合不必要采用很復(fù)雜的電路拓撲，這樣就有效地降低了裝置的故障率和成本。1電力電子器件電力電子器件又稱為功率半導(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）。電力電子器件目前的制約因素有耐壓，電流容量，開關(guān)的速度。電力電子器件的分類多種多樣。按照電力電子器件的開關(guān)控制能力，電力電子器件可分為三類：不可控器件、半控型器件、全控型器件。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)不同，又可以將電力電子器件分為電流控制型和電壓控制型。根據(jù)電力電子器件內(nèi)部載流子的類型，可將電力電子器件分為單極型、

6、雙極型和復(fù)合型三類。1.1現(xiàn)代電力電子器件1.1.1不可控器件這是一類不能用控制信號來控制其通、斷的電力電子器件，因此也就不需要驅(qū)動電路。這類器件的典型代表是電力二極管。電力二極管（Power Diode）在20世紀50年代初期就獲得應(yīng)用，當(dāng)時也被稱為半導(dǎo)體整流器；它的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管是一樣的，都以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)正向?qū)?、反向截止的功能；電力二極管是不可控器件，其導(dǎo)通和關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。優(yōu)點是其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠。1.1.2 半控型器件這是一類可以通過控制端來控制器件的開通，但不能控制其關(guān)斷的電力電子器件。這類器件的典型代

7、表是晶閘管及其派生器件。晶閘管（SCR）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅；1957年美國通用電氣公司開發(fā)出世界上第一款晶閘管產(chǎn)品，并于1958年將其商業(yè)化；晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個極：陽極，陰極和門極； 晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。但是，晶閘管作為半控型器件，只能通過門極控制其開通，不能控制其關(guān)斷，要關(guān)斷器件必須通過強迫換相電路，從而使整個裝置體積增加，復(fù)雜程度提高，效率降低。另外，晶閘管為雙極型器件，有少子存儲效應(yīng)，所以工作頻

8、率低, 一般低于400Hz。由于以上這些原因，使得 晶閘管的應(yīng)用受到很大限制。雖然晶閘管有以上一些缺點，但由于承受電壓和電流容量在所有器件中最高，使它在高壓直流輸電、靜止無功補償(SVC)、大功率直流電源及超大功率和高壓變頻調(diào)速等方面的應(yīng)用仍占有十分重要的地位。1.1.3 全控型器件這是一類既可以控制其開通，又可以控制其關(guān)斷的電力電子器件。與半控型器件相比，這類器件可以通過控制端實現(xiàn)器件的關(guān)斷，因此又稱為自關(guān)斷器件。屬于這類器件的有：電力場效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、集成門極換向晶閘管（IGCT）、電子注入增強柵晶體管（IEGT）

9、等。1） 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管分為兩種類型，結(jié)型和絕緣柵型，但通常所說的是絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡稱電力MOSFET（Power MOSFET），P-MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流，它的顯著特點是驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高；但是其電流容量小，耐壓低，只用于小功率的電力電子裝置，其工作原理與普通MOSFET一樣。2）絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是具有電力MOSFET的高速開關(guān)特性和雙極性晶體管的低導(dǎo)通電壓特性兩方面優(yōu)勢的電力電子器件。由于IGBT可以高速開關(guān)并且耐高電壓和大

10、電流，所以在電力電子設(shè)備中它已成為重要的器件。IGBT的開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。當(dāng)電壓在1000V以上時，IGBT的開關(guān)損耗與電力MOSFET相當(dāng)，只有GTR的10%。在相同電壓、電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)域比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。IGBT的通態(tài)壓降在1/2或1/3額定電流以下區(qū)段具有負的溫度系數(shù)，而在其以上區(qū)段具有正的溫度系數(shù)。因此，在額定電流附近IGBT易于并聯(lián)，而且通態(tài)壓降比電力MOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。IGBT的輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐高電壓和大電流值還可進一步提高，并保持開關(guān)

11、頻率高的特點。IGBT的不足之處在于高壓IGBT的導(dǎo)通電阻較大，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗大，在高壓應(yīng)用領(lǐng)域，通常需要多個串聯(lián)，并且過壓、過流、抗沖擊、抗干擾等承受能力較低。3）大功率晶體管大功率晶體管(GTR)也稱巨型晶體管，是三層結(jié)構(gòu)的雙極全控型大功率高反壓晶體管，它具有自關(guān)斷能力，控制十分方便，并有耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，通流能力強，飽和壓降低等優(yōu)點，在許多電力變流裝置中得到應(yīng)用。 GTR 是一種電流控制型器件，所需驅(qū)動功率較大，驅(qū)動電路較復(fù)雜，且由于其固有的“二次擊穿”問題，其安全工作區(qū)受各項參數(shù)影響而變化，所以，GTR存在熱容量小、過流能力低等缺點。目前，GTR 已經(jīng)基本被 GTO 取代。4）

12、門極可關(guān)斷晶閘管GTO是上個世紀60年代初問世的，在此后的三四十年內(nèi)得到了很大的發(fā)展，至今仍是重要的電力半導(dǎo)體器件。傳統(tǒng)GTO的基本結(jié)構(gòu)與普通晶閘管一樣，也是4層3端結(jié)構(gòu)，它幾乎具有晶閘管的全部優(yōu)點。但它的門極不僅具有普通晶閘管控制陰陽極主回路導(dǎo)通的能力，而且當(dāng)在門極上施加負電壓時，能使處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)，重新恢復(fù)阻斷能力，實現(xiàn)門極關(guān)斷，為全控型器件。為了改善關(guān)斷特性，GTO器件均采用多個子器件并聯(lián)的方式，即在同一硅片上，制作成千上萬個細小的GTO子器件，它們有共同的門極，陰極相互分開獨立，采用適當(dāng)?shù)姆庋b結(jié)構(gòu)，將這些子器件并聯(lián)在一起， 器件外觀和大功率普通晶閘管完全一樣。 GT

13、O優(yōu)點是電壓、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；缺點是電流關(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。5） 集成門極換向晶閘管 集成門極換向晶閘管（IGCT）是一種用于大型電力電子裝置中的新型電力電子器件。它的應(yīng)用使電力電子裝置在功率、可靠性、開關(guān)速度、效率、成本、重量和體積等方面都取得了很大改進，給電力電子裝置帶來了新的飛躍。IGCT是將GTO芯片與反并聯(lián)二極管和門極驅(qū)動電路集成在一起，再與其門極驅(qū)動器在外圍以低電感方式連接，它結(jié)合了晶體管和晶閘管兩種器件的優(yōu)點，即晶體管穩(wěn)定的關(guān)斷能力和晶閘管的低通態(tài)損耗的一種新型器件

14、。IGCT在導(dǎo)通期間發(fā)揮晶閘管的性能，在關(guān)斷階段則呈現(xiàn)類似晶體管的特性。IGCT具有電流大、電壓高、開關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、損耗低的特點。此外，IGCT還像GTO一樣，具有制造成本低和成品率高的特點，有極好的應(yīng)用前景，是GTO 的替代產(chǎn)品。6）電子注入增強柵晶體管近年來, 日本東芝公司開發(fā)了電子注入增強型晶體管(IEGT)，它是耐壓4 KV以上的高耐壓IGBT系列電力電子器件。IEGT 通過采取增強注入結(jié)構(gòu)，兼有IGBT和GTO 兩者的優(yōu)點，具有低飽和壓降、寬的安全工作區(qū)(吸收回路容量只有GTO1/10左右)、低柵極驅(qū)動功率(比GTO低兩個數(shù)量級)和較高的工作頻率。 IEGT的這些優(yōu)點

15、，使大容量電力電子器件取得飛躍性發(fā)展，現(xiàn)已經(jīng)歷了實際應(yīng)用的初級階段，進入了通過特性改良以實現(xiàn)更高性能為目標的發(fā)展階段。 IEGT本質(zhì)上具有作為MOS系列電力電子器件的潛在發(fā)展前景，預(yù)示著它是未來的主要發(fā)展方向。除低損耗、高速動作等基本芯片性能不斷提高外，6 KV級高耐壓化、有源柵驅(qū)動的智能化、溝槽結(jié)構(gòu)的采用等，以及多芯片并聯(lián)而自均流的特征也使其易于并聯(lián)使用以進一步擴大電流容量成為可能。目前，IEGT的器件水平已經(jīng)達到4 .5 KV/ 1500 A 。1.2新型電力電子新器件從晶閘管問世到IGBT的普遍應(yīng)用，電力電子器件經(jīng)過近40年的發(fā)展，基本上都是表現(xiàn)為對器件原理和結(jié)構(gòu)的改進和創(chuàng)新，在材料的使

16、用上則始終沒有突破硅的范圍。無論是功率MOSFET還是IGBT，它們與晶閘管和整流二極管一樣都是硅制造的器件。但是，隨著硅材料和硅工藝的日趨完善，各種硅器件的性能逐步趨近其理論極限，而電力電子技術(shù)的發(fā)展卻不斷對電力電子器件的性能提出了更高的要求，尤其是希望器件的功率和頻率能得到更高程度的兼顧。因此，越來越多的電力電子器件研究工作轉(zhuǎn)向了對應(yīng)用新型半導(dǎo)體材料制造新型電力電子器件的研究。結(jié)果表明，就電力電子器件而言，硅材料并不是最理想的材料，比較理想的材料應(yīng)當(dāng)是臨界雪崩擊穿電場強度、載流子飽和漂移速度和熱導(dǎo)率都比較高的寬禁帶半導(dǎo)體材料，這種材料比較典型的有砷化鎵(GaAs)、碳化硅(SiC)等。目前

17、，隨著這些材料的制造技術(shù)和加工工藝日漸成熟，使用寬禁帶半導(dǎo)體材料制造性能更加優(yōu)越的電力電子新器件已成為可能。特別是碳化硅肖特基二極管在本世紀初投放市場并獲得良好的實際應(yīng)用效果后，進一步增強了人們大力發(fā)展用寬禁帶半導(dǎo)體材料制造電力電子器件的信心。 在各種寬禁帶半導(dǎo)體材料中，碳化硅是一種性能優(yōu)越的材料，它的性能指標較砷化鎵還要高一個數(shù)量級，與其他材料比較，它具有，高的禁帶寬度、高的飽和電子漂移速度、高的擊穿強度、低的介電常數(shù)和高的熱導(dǎo)率等特征。使用碳化硅制造的電力電子器件，有可能將半導(dǎo)體器件的極限工作溫度提高到600以上，至少可以在硅器件難以承受的高溫下長時間穩(wěn)定工作。不僅如此，在 額定阻斷電壓相

18、同的前提下，碳化硅器件不但通態(tài)電阻很低，工作頻率也比硅器件高 10倍以上。所以，碳化硅器件在高溫、高頻、高功率容量的應(yīng)用場合是極為理想的電力電子器件。1）碳化硅肖特基勢壘二極管本世紀初，碳化硅肖特基勢壘二極管(SBD)首先揭開了碳化硅器件在電力電子領(lǐng)域替代硅器件的序幕。由于肖特基二極管的制造工藝相對比較簡單，所以對碳化硅肖特基二極管的研究也已較為成熟。 碳化硅SBD器件具有預(yù)期的反向漏電流極小，幾乎沒有反向恢復(fù)時間等優(yōu)點，同時，高溫性能異常優(yōu)越，于是一些大公司在其IGBT變頻或逆變裝置中采用這種二極管替代硅塊恢復(fù)二極管，取得了提高工作頻率、大幅度降低開關(guān)損耗的明顯效果，總體效益大大超過由于替換

19、器件所增加的成本。2）碳化硅場效應(yīng)器件 碳化硅場效應(yīng)器件的開發(fā)優(yōu)勢在于能夠兼顧阻斷電壓和通態(tài)電阻，而且結(jié)構(gòu)與硅場效應(yīng)器件沒有太大區(qū)別，因而可以充分利用硅MOS的成熟技術(shù)。雖然目前碳化硅場效應(yīng)器件還未能實現(xiàn)商業(yè)化，但其研發(fā)工 作進展很快，在2004年其耐壓已經(jīng)達到了硅器件無法達到的10000 V水平。通態(tài)比電阻也向理論極限大大靠近了一步，可達123 m·cm3。3）碳化硅 IGBT 雖然碳化硅場效應(yīng)器件的阻斷電壓可以做到硅器件所無法達到的10000V，但更高阻斷電壓也面臨通態(tài)電阻問題，所以，人們對碳化硅IGBT寄予厚望。 對碳化硅IGBT的研發(fā)工作起步較晚，1999年才首見報道，這是一

20、個阻斷電壓只有790 V的P溝道4H-SiC IGBT，且其通態(tài)壓降很高，在電流密度為75 A /cm2 時就高達 15 V，這說明碳化硅IGBT在阻斷電壓不高的情況下，相對于碳化硅場效應(yīng)器件沒有什么優(yōu)勢，其優(yōu)越性只在10000V以上的高壓領(lǐng)域。近年來，碳化硅高壓IGBT的研發(fā)工作已有較大進展，目前遇到的主要困難在于：P溝道IG-BT的源極接觸電阻偏高，而 n溝道IGBT又需要用p型碳化硅材料做襯底。因此，碳化硅IGBT研發(fā)工作的實質(zhì)性進展，還有待于材料和工藝技術(shù)的進一步發(fā)展。4）碳化硅雙極型器件 用碳化硅可以制造阻斷電壓很高的雙極型器件，比如高壓二極管和晶閘管等。 2000年5月，美國Cre

21、e公司與日本關(guān)西電力公司(KEPCO)聯(lián)合研制成功世界上第一只耐壓超過萬伏的碳化硅pn結(jié)二極管，其反向阻斷電壓為12300 V，正向壓降在電流密度為100 A/ cm2時只4.9V。到2001年，碳化硅二極管的阻斷電壓可達到20000V 水平，相應(yīng)的反向漏電流密度為2.7mA /cm2 ，正向壓降在電流密度為100 A /cm2 時只有6.5V。碳化硅pn結(jié)二極管的阻斷電壓在2001年后，沒有新進展，研究人員把研究重點轉(zhuǎn)移到提高器件承受大電流能力方面，2002年 Sugawara 等人研制成功了100 A /5200 V大功率碳化硅pn結(jié)二極管，在300和100A正向電流下的壓降為 4.2V。

22、 而利用碳化硅材料研制的晶閘管、GTO、GCT等器件近年來均有相關(guān)報道，但這些器件離實際工業(yè)應(yīng)用還有一段距離。2電力電子應(yīng)用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、交通運輸、環(huán)境等諸多重要領(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)。2.1 風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能是世界各國能源中增長最快的一種。目前風(fēng)力發(fā)電和電網(wǎng)兼容的問題受到了世界極大的關(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)定性對電網(wǎng)也會造成沖擊。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，如何合理評估風(fēng)力發(fā)電對生態(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

23、流的運動形成的，如果人們大規(guī)模地、不合理地亂設(shè)風(fēng)場、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)過認真的科學(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 太陽能光伏發(fā)電太陽能光伏發(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)電和建筑物外非晶體電池較低成本，不存在原材料供應(yīng)瓶頸、適合低日照水平、適合高溫條件、利于建筑一體化轉(zhuǎn)換效率較低、穩(wěn)定性較差、存在光致衰減效應(yīng)晶體電池轉(zhuǎn)換效率高、壽命較長、穩(wěn)定性好、公害小高成本、原材料難

24、以獲得、不適合低日照水平、不適合光伏建筑一體化銅銦鎵硒電池成本最低、轉(zhuǎn)換效率很高、利于建筑一體化壽命相對較短、其中必備元素銦屬于微量元素、難以獲得、對環(huán)境有一定污染碲化鎘電池成本低、轉(zhuǎn)換效率一般、利于建筑一體化有毒、污染環(huán)境、回收困難墻的功能，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。在土地價格昂貴的地區(qū)，光伏建筑一體化是解決土地成本過高和整合發(fā)電運送的最佳方案，建筑業(yè)已開始使用薄膜光伏電池，因為它既能發(fā)電又可降低二氧化碳的排放量，這是未來一個新的發(fā)展趨勢。2.3 電動汽車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，越來越多的人開始購買汽車。但是，汽車的大量使用帶來了能源消