緒論、電力電子器件及其使用相關(guān)技術(shù)

1、 現(xiàn)代電力電子技術(shù)緒論電力電子器件AC/DC變換AC/AC變換DC/DC變換DC/AC變換 教材: 林渭勛，現(xiàn)代電力電子技術(shù)研究生教學用書 ， 機械工業(yè)出版社 ，2006-01 1 緒論一個簡單例子電力電子節(jié)能概念1kW直流阻性負載, 需10100V可調(diào)(對應(yīng)電流110A，電阻10).方案1交流電網(wǎng)交/直發(fā)電機組負載（效率低(70%)，噪聲）無電力電子采用110可調(diào)電阻，負載50V(250W)運行時：R2, R1。額外損耗：P=502/99.1+602/10.9355W 效率極低。方案3交流電網(wǎng)可控整流負載負載50V(250W)運行時： 損耗10W計, 效率96%用電力電子方案2不用電力電子直

2、流電網(wǎng)負載110VR1R2 1. 緒論1.1 電力電子及其開展應(yīng)用前景：電能使用90%-轉(zhuǎn)換使用，2021 ：80% 經(jīng)電力電子。 CPES 語, Center of Power Electronics system, USA).電力電子: 采用電子開關(guān)、進行電能轉(zhuǎn)換（處理） 電子學（半導體器件）。 涉及 電工學（電力、電機）。 控制學（控制技術(shù)）。1. 電子技術(shù)：(Power Electronics)微電子（信號處理）電力電子（電能轉(zhuǎn)換）1.1.1 電力電子電子學(弱)功率(強)處理功率的電子學 (強弱結(jié)合)1. 緒論2. 特點：開關(guān)狀態(tài)工作、進行電能轉(zhuǎn)換功率大)。3. 核心：變流 AC D

3、C4. 根本技術(shù)問題(1) 新材料、器件(碳化硅、氮化鎵寬禁帶材料; 超級結(jié)、浮動結(jié)等);(2)電路拓撲(核心橋式); (3) 控制及轉(zhuǎn)換方法(移相、PWM、多電平；智能控制); (4) 功率集成 (PICPower Integrated Circuits; IPM Intelligent /Smart Power Module; IPES(M) Integrated Power Electronics System/Module); (5)抑制諧波、提高功率因素(PFC Power Factor Compensation); (6) 提高轉(zhuǎn)換效率; (7) 高頻化(Soft switch、高

4、頻磁技術(shù)); (8) EMC設(shè)計(Electromagnetic compatibility)。 1995年，美國總統(tǒng)科技參謀委員會提供咨詢報告，列舉6項關(guān)系國民經(jīng)濟開展及國家長久平安關(guān)鍵技術(shù)：材料、制造業(yè)、信息通訊、航空和運輸、能源與環(huán)境、生物技術(shù)前5項均與電力電子有關(guān)。 5. 應(yīng)用：涉及機械(交直流電機傳動)、電子(各種電子、半導體材料器件及電子、集成電路)、冶金(電爐冶煉精煉、鍛軋鋼)、材料(電焊、透熱、淬火)、化工(電解電鍍、鼓風除塵制氧機)、交通(機車牽引、船舶、電動汽車)、通信(各種有線無線衛(wèi)星通信電源)、電力(無功補償、太陽能風力新能源發(fā)電)、家電(空調(diào)、電磁灶、電視冰箱洗衣機)

5、 、醫(yī)療(B超CT等電子診斷醫(yī)療儀器)、國防(激光武器、電磁炸彈、電子對抗)以及航空航天等。1.1.2 電力電子開展態(tài)勢 除應(yīng)用范圍不斷擴大之外，總體：(1) 高頻化(MHz水平: 提高性能、效率、功率密度：變壓器、電感、電容體積 Hz平方根成反比)。1. 緒論(2) 綠色化潔凈化。高效、無諧波、EMC。1. 總體開展趨勢 1. 緒論(數(shù)字化。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊、自適應(yīng)、仿生學(粒子群，蟻群)等方 法應(yīng)用。 1950-1970 : 搖籃期。主要Thyristor、GTR等。 1970-1990 : 成長期。主要 MOSFET、IGBT、GTO、光控Thyristor等。4. 集成化(PIC/PMI

6、PM/SPMIPEM/IPES)。2. 幾個典型開展態(tài)勢： 1990-至今: 成熟期。硅材料的電壓全控型電力電子器件和各種復(fù)合型器件進一步完善和開展, 如, IGBT(6006.5 kVkA)、IGCT; 各種功率集成模塊(PM) 、智能模塊(SPM, IPM)的出現(xiàn)等。 目前電力電子器件的功率水平根本上穩(wěn)定在109- 1010 WHz水平, 傳統(tǒng)功率器件已逼近由于寄生二極管制約而能到達的材料極限。1.器件：如同因為有了計算機才引發(fā)信息浪潮一樣，電力電子技術(shù)伴隨著器件的開展而進步。 但自1990年代之后，電力電子器件無進一步突破性開展電力電子技術(shù)也難以有革命性跨越。 為突破目前器件極限-兩大技

7、術(shù)開展方向： 寬禁帶電力半導體器件(碳化硅、氮化稼等),如, SJ -MOSFET; LDD-MOSFET; RB-IGBT(反相阻斷型)等。 隨著寬禁帶電力半導體器件的商用化，可能給電力電子技術(shù)帶來一個革命性改觀。(查看?寬禁帶半導體電力電子器件及應(yīng)用?，陳治明、李守智編著，機械工業(yè)出版社，2021年1月2. 可再生新能源以及分布式發(fā)電系統(tǒng)的開展為電力電子技術(shù)應(yīng)用提供并將提供更廣闊的開展空間。 傳統(tǒng)：煤、油、核、水電?？稍偕猴L、水(海洋)、生物、地熱、太陽能等需要電力電子轉(zhuǎn)換并入電網(wǎng)。 電能質(zhì)量控制：無功、諧波補償?shù)取?. 電力電子系統(tǒng)集成IPES:1. 緒論 1997,美國海軍提出PEB

8、B(Power Electronics Building Block) 便于標準化、模塊化、維護和規(guī)模生產(chǎn)等。 1998,美國電力電子系統(tǒng)中心(CPES)正式提出電力電子系統(tǒng)集成概念。主要分為： 新的器件結(jié)構(gòu)(如超級結(jié)、浮動結(jié)型。1. 緒論 子系統(tǒng)集成核心：PSOC (Power System on Chip)和PSIP (Power System in Package, 多片封裝) 系統(tǒng)級集成：多個PSIP組成應(yīng)用系統(tǒng)。 2002 我國立項研究(浙大、西交大、西安電力電子所)。 主要涉及：根本單元拓撲、集成封裝、絕緣散熱、無源元件集成、磁集成、平面金屬化(模塊中噴涂金屬層、外表貼裝驅(qū)動保護檢

9、測芯片等以減小寄生參數(shù))等技術(shù)。1.2 電力電子高頻化 音頻(16Hz20kHz)以上開關(guān)頻率一般稱高頻(超音頻) 不同于無線電高頻(用于無線電播送與通訊的中波: 100kHz6MHz; 短波: 630MHz; 用于電視雷達衛(wèi)星通訊的超短波(微波): 30 3105 MHz)。 高頻化提高功率密度、減小儲能元件體積，便于裝置小型輕便化，如，變壓器、電感、電容體積Hz平方根成反比。帶來主要問題: 開關(guān)元件功耗、開關(guān)應(yīng)力問題；寄生分布參數(shù)影響及EMI(Electro-Magnetic Interference)等問題。1. 緒論 高頻化引發(fā)許多技術(shù)革新: 軟開關(guān)技術(shù)(ZVCS: ZeroVolta

10、ge Current Switching; ZVCT: Zero - Voltage Current Transition); 時間分割波形交錯技術(shù); 同步整流技術(shù)(低壓大電流高頻)； 高頻磁技術(shù)(兆赫級的非晶、納米晶磁性材料； PET (壓電變壓器: Piezo -Electric Transformer); 減小寄生分布參數(shù)、便于電力電子系統(tǒng)集成的平面變壓器、磁集成、磁電 混合集成)； SiC(碳化硅)等電力半導體器件； 高頻和超級電容器(容量大可達數(shù)十上百法拉、體積小、充放電快、等 效串聯(lián)電阻小)。 高頻電力電子電路的EMC技術(shù)等等。2. 電力電子器件 電力電子器件是電力電子電路的根底工

11、程實際：許多問題都可歸結(jié)為如何使用好器件的問題。一. 電力電子器件: 工作在開關(guān)狀態(tài)、用于功率轉(zhuǎn)換的電力半導體器件。1. 雙極型、單極型、復(fù)合型： 兩種載流子(多子、少子)都參與導電的器件雙極型器件。特點：單管容量大、開關(guān)速度低。如，SCR、GTO、GTR等； 只有一種載流子(電子或空穴)參與導電的器件單極型器件。特點：單管容量小、開關(guān)速度高。如，功率MOSFET。 單極型與雙極型器件混合集成而成的器件復(fù)合型器件。開關(guān)速度、單管容量介于單、雙極型器件之間，如，IGBT、IGCT。二. 主要類型：2. 電壓驅(qū)動型、電流驅(qū)動型： 通過在控制端與公共端之間施加一定的電壓信號即可實現(xiàn)器件的導通或關(guān)斷電

12、壓驅(qū)動型器件。特點：所需驅(qū)動功率小。如，MOSFET、 IGBT 、 IGCT。2. 電力電子器件 通過在控制端注入或抽出一定的電流實現(xiàn)器件的導通或關(guān)斷電流驅(qū)動型器件。特點：所需驅(qū)動功率較大。如，SCR、GTO、GTR。3. 不控、半控、全控型器件： 不能通過控制信號控制器件的通、斷不控型器件。如,電力二極管(Power Diode); 通過控制信號只可以其控制導通、不能控制其關(guān)斷半控型器件。如, 晶閘管(Thyristor)及其大局部派生器件。 通過控制信號既可以其控制導通、又能控制其關(guān)斷全控型器件。如功率晶體管(GTR: Giant Transistor)、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO: Ga

13、te Turn-Off Thyristor)、功率場效應(yīng)晶體管( P-MOSFET: Power Metal Oxide Semicon-ductor Field Effect Transistor) 、絕緣柵雙極晶體管(IGBT: Insulated-Gate Bipolar Transistor)以及集成門極換流晶閘管 (IGCT: Integrated Gate Com-mutated Thyristor)等。三.電力半導體器件根底 為了能夠較深刻地理解電力半導體器件的工作特性簡單了解有關(guān)半導體及其導電機理的一些根本知識。1. 半導體三.電力半導體器件根底 電力半導體器件: 由半導體材料

14、制作而成的功率(Power電力)器件.何為半導體？ (1) 導體: 分為第一類、第二類導體。 第一類導體：主要指各種金屬。 特點是導電機構(gòu)為自由電子，導電不會引起物質(zhì)的化學性質(zhì)變化以及物質(zhì)的質(zhì)量遷移(金屬原子的最外層電子受原子束縛力較弱, 結(jié)合成固體時, 最外層電子將不會單獨受原來的原子束縛, 而為全體原子所共有價電子: 在外電場作用下很容易掙脫原子束縛形成定向流動，故稱自由電子。為與仍被各原子束縛、不能參與導電的內(nèi)層電子相區(qū)別, 這些電子又稱載流子。所有載流子即使在絕對零度也是自由的，故載流子密度(典型值: 10281029/m3之間)與原子密度相當、不隨溫度變化而明顯改變。由于導電機構(gòu)是電

15、子, 所有電子都相同,且質(zhì)量遠小于原子核電子流動不會引起物質(zhì)的化學性質(zhì)變化以及物質(zhì)的質(zhì)量遷移) 。 第二類導體：主要有酸、堿、鹽的溶液等化學電解質(zhì)。特點是導電機構(gòu)為離子(缺少電子或者電子多余的原子或原子團), 由于各種離子的化學成分以及質(zhì)量不一定相同, 故導電往往會引起物質(zhì)的化學性質(zhì)變化和物質(zhì)的質(zhì)量遷移。 (2) 絕緣體又稱電介質(zhì), 如玻璃、石蠟、硬橡膠、松香、絲綢、瓷器、純水、按導電性能的不同, 物體可分為：導體、絕緣體、半導體。1. 半導體 (3)半導體導電能力介于金屬導體與絕緣體之間，且導電能力明顯依賴于材料內(nèi)、外狀態(tài)的一類特殊物質(zhì), 如硅、鍺、硒、金剛石以及一些化合物如砷化鎵、碳化硅等

16、。 完全純潔、結(jié)構(gòu)完整的半導體稱為本征半導體。組本錢征半導體晶體的所有原子, 在絕對零度時, 都將其電子(含最外層電子)緊緊束縛在周圍，不能象金屬中的價電子那樣在電場作用下參與導電本征半導體本來不能導電。 隨溫度上升, 本征半導體中電子的平均能量會隨之有所增加, 束縛最弱的外層電子中, 少量獲得足夠能量者有可能掙脫束縛, 成為可參與導電的自由電子稱為本征激發(fā)。 本征激發(fā)半導體可以導電，但導電性能很差(本征激發(fā)載流子數(shù)量很少, 如, 室溫下硅的導電電子密度約為1.381016/m3，遠不能與載流子密度典型值在10281029 /m3之間的金屬相比)。 假使物質(zhì)的某局部因外界作用而獲取電子，獲取的

17、電子也會被該局部的原子牢牢吸引住。 假使物質(zhì)的某局部因外界作用而失去電子, 物質(zhì)其他局部的電子也不能夠前來補缺。 所以這些物質(zhì)不能導電，除非外電場強大到足以將電介質(zhì)擊穿。大局部塑料、枯燥空氣等。特點是原子與其電子之間束縛力很強, 即使有外電場作用, 電子也不能掙脫原子束縛成為導電機構(gòu)。電場不為零時, 只有與空穴鄰近、且是電場方向上的束縛電子填補的可能性最大, 形成空穴的定向運動 形成沿電場方向的電流(空穴攜帶正電荷) 。 本征激發(fā)出的自由電子攜帶的是負電荷, 沿電場反方向運動, 也形成沿電場方向的電流。 可見, 本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴和自由電子都是半導體中的導電機構(gòu), 或者說本征半導體中存在空穴和

18、自由電子兩種載流子, 并且兩種載流子數(shù)量是相等的這是半導體區(qū)別于金屬導體的一個根本特點。三.電力半導體器件根底 半導體晶體中本征激發(fā)出自由電子的同時，在電子原束縛處會留下相應(yīng)的空缺空穴。 空穴的產(chǎn)生為其臨近的束縛價電子提供了填補時機。當某束縛價電子填補空穴成為該處的束縛電子時, 又在其原來所在處留下空穴, 依次延續(xù)下去, 形成相當于空穴的移動。 半導體中導電電子密度會隨溫度上升而指數(shù)增加, 這是半導體的一個重要特性。 電場為零時, 這種移動隨機發(fā)生, 空穴的移動軌跡雜亂無章，表達不出電流流動； 半導體區(qū)別于金屬導體的另一個重要特征摻雜可使半導體的導電性能大1. 半導體為改觀。 如, 在硅單晶(

19、族元素, 核外電子排列2, 8, 4)中摻入微量的族元素鋁(核外電子排列2, 8, 3; 或硼: 核外電子排列2, 3, 等), 當鋁原子代替硅單晶格中的一個硅原子與鄰近4個硅原子組成晶格時, 因鋁原子少1個價電子, 只有7個價電子為原子束縛, 從而產(chǎn)生1個價電子空缺, 為這塊晶格中的價電子填補運動提供了一個時機, 亦即產(chǎn)生一個空穴，如下圖。 該空穴的產(chǎn)生，是由摻雜鋁原子單方面引入的，不象本征激發(fā)那樣伴隨自由電子的產(chǎn)生。 盡管摻雜只是微量，但摻雜引入的載流子密度一般比本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子密度高出假設(shè)干數(shù)量級(10個數(shù)量級甚至更多)，致使摻雜半導體中的空穴密度遠遠高于本征激發(fā)的自由電子密度這種空

20、穴導電占優(yōu)勢的半導體稱作P(Positive) 型半導體?？昭ǚQ多數(shù)載流子(簡稱多子)，電子稱作少數(shù)載流子(簡稱少子) 。 同理，在本征半導體中摻雜價電子數(shù)比硅多一個的族元素，如, 有5個價電子的磷(核外電子排列2,8,5; 或砷:核外電子排列2,8,18,5, 等)。當磷原子替代硅晶格中的一個硅原子而與鄰近4個硅原子組成晶格時, 共有9個價電子，而穩(wěn)定晶格只需8個價電子, 多出的1個就很容易掙脫磷原子束縛成為自由電子，從而產(chǎn)生空穴三.電力半導體器件根底 總之, 通過摻雜可使半導體的導電性能大為改觀。通常將未摻雜的半導體就稱作本征半導體, 摻雜的半導體稱作非本征半導體或摻雜半導體。假設(shè)摻雜元素

21、為價電子數(shù)比硅少一個的族元素稱作受主雜質(zhì), 因為這樣的元素替代硅原子與鄰近硅原子組成晶格時會“接受一個電子。假設(shè)摻雜元素為價電子數(shù)比硅多一個的族元素稱作施主雜質(zhì), 因為這樣的元素替代硅原子與鄰近硅原子組成晶格時會“施出一個電子。產(chǎn)生自由電子導電占優(yōu)勢的N (Negative)型半導體。這里電子為多子，空穴那么為少子。 實際半導體材料不可能100%純潔, 會含數(shù)種雜質(zhì)。一般而言，產(chǎn)生同一極性載流子的雜質(zhì)(如硼和鋁均是產(chǎn)生空穴載流子，磷和銻均是產(chǎn)生電子載流子)作用總效果是相加的，產(chǎn)生相反極性載流子的雜質(zhì)作用總效果是相減的。亦即：半導體材料中受主雜質(zhì)與施主雜質(zhì)的同時存在，不能象本征激發(fā)那樣同時產(chǎn)生導

22、電空穴和電子，只能作用相互抵消稱作雜質(zhì)補償效應(yīng)。利用該效應(yīng)可使多數(shù)常用半導體在P、N兩種導電類型之間相互轉(zhuǎn)化。假設(shè)使受主與施主雜質(zhì)濃度相等稱作高度補償，相當于凈雜質(zhì)濃度為零，可使半導體“重新恢復(fù)兩種載流子密度相等狀況。但此時半導體的導電性將不如本征半導體，因為摻雜會降低載流子的遷移率，且摻雜濃度越高影響越大。Al+Si2. PN結(jié) 摻雜的方法主要有合金法、擴散法、離子注入法等。2. PN結(jié) PN結(jié)P型與N型半導體的結(jié)合部，是電力半導體器件的根本構(gòu)成要素。 通常PN結(jié)處不應(yīng)有晶體結(jié)構(gòu)的改變，即，原子的周期性和規(guī)那么性排列在PN結(jié)處必須連續(xù)。 一塊P型與一塊N型半導體的機械接觸難以實現(xiàn)這種原子之間

23、的連接，一般通過摻雜或外延生長方法形成PN結(jié)。(1) PN結(jié)生成方法合金法先在N型(或P型)單晶硅片上淀積一層異型摻雜物，施加適當溫度，使兩者在界面處形成共融體，再逐步降溫使兩者析離，借以形成具有連續(xù)晶體結(jié)構(gòu)的異型摻雜層。以N型硅片上摻雜鋁為例:N-SiAlN型硅上放置 薄鋁片逐步升溫Al+Si逐步降溫硅沿晶向再結(jié)晶P型區(qū)的硅從硅鋁共融體析出，含有大量P型雜質(zhì)鋁，形成P型區(qū)。N-Si形成新結(jié)晶層P 合金法形成的PN結(jié)，雜質(zhì)濃度改變具有突變性：在N型硅單晶中的原有施主雜質(zhì)濃度近似均勻分布，再結(jié)晶形成的P型區(qū)中的凈受主雜質(zhì)濃度那么突變N-Si界面處形成 共融體Al+Si硅從共融體中逐步析出N-Si

24、N-SiP 型雜質(zhì)N-Si置于P 型摻 雜劑環(huán)境三.電力半導體器件根底擴散法 先在N (或P)型單晶硅片上熱生長一層二氧化硅(SiO2) 薄膜，利用光刻在二氧化硅薄膜上刻蝕一個窗口，將其置于P (或N)型摻雜劑環(huán)境中，在高溫下讓雜質(zhì)原子從窗口的單晶硅外表向硅片體內(nèi)緩慢擴展，從而形成PN結(jié)。過程如下圖。為濃度較高的均勻分布稱突變結(jié), 如下圖。結(jié)深xXj雜質(zhì)濃度摻雜濃度本底雜質(zhì)濃度N-Si光刻一個窗口N-SiSiO2摻雜擴散N-Si 形成PN結(jié)PN型硅片上生長 SiO2薄膜光刻 擴散法形成的PN結(jié)出現(xiàn)在擴散雜質(zhì)與硅片體內(nèi)原有雜質(zhì)濃度相等的高度補償處，且雜質(zhì)濃度分布的改變比較平緩，從P型到N型的轉(zhuǎn)變

25、是漸進的稱緩變結(jié)。假設(shè)結(jié)深Xj處的雜質(zhì)濃度分布可用該處的切線近似表示線性緩變結(jié)。假設(shè)結(jié)深Xj較小、摻雜濃度又較高，那么Xj處濃度梯度很大可簡化為單邊突變結(jié)。突變結(jié) 合金法因雜質(zhì)濃度和摻雜層厚度不易精確控制，早期較為多用，現(xiàn)不多用。P 型雜質(zhì)雜質(zhì)擴散三.電力半導體器件根底結(jié)深x雜質(zhì)濃度摻雜濃度本底雜質(zhì)濃度結(jié)深x雜質(zhì)濃度摻雜濃度本底雜質(zhì)濃度Xj緩變結(jié)單邊突變結(jié)離子注入法 離化摻雜原子，令其瞄準硅片加速、穿透硅片外表、滲入體內(nèi)一定深度以形成PN結(jié)。 此法摻雜均勻性好、精確、重復(fù)性高，是較為理想的摻雜方法。但摻雜離子穿透硅片外表前需加速到具有數(shù)十keV(keV: 一個帶有1.61019庫侖電量的電子經(jīng)

26、過1kV電場加速所獲動能)的動能，所需設(shè)備復(fù)雜、初期投資本錢高。Xj 大功率電力半導體器件多采用擴散法形成PN結(jié)。外延生長法 在高溫下(如, 11000C) ，使含有摻雜的硅氣體(氣相外延)或液體(液相外延)化合物流過外表精細加工過的N型(或P型)硅晶襯底(基片)，化合物中熱分解出的硅原子和微量雜質(zhì)原子會沉積在硅晶基片外表，并按照硅單晶的原子排列規(guī)那么延續(xù)成新結(jié)晶層(薄膜)。 不同的摻雜化合物延續(xù)成不同類型的結(jié)晶薄膜。假設(shè)結(jié)晶薄膜與基片是異型的，就形成PN結(jié)。假設(shè)摻雜薄膜與基片是同型的，就形成濃度不同的NN結(jié)或PP結(jié)稱上下結(jié)(號表示高濃度摻雜) 在制造功率器件時可采用此方法改善器件某些性能，如

27、，功率二極管采用PNN或PPNN結(jié)構(gòu)以改善耐壓能力和正向特性。2. PN結(jié) 外延生長結(jié)晶中的雜質(zhì)含量可由摻雜化合物中的摻雜濃度以及其他工藝參數(shù)精確控制，容易形成摻雜濃度分布均勻的理想突變結(jié)。但是生長層越厚，結(jié)晶晶體的完美性越難保證，對襯底基片的要求越高，故在高耐壓電力電子器件制造工藝中較少采用，而在功率集成電路和一些新型電力電子器件制造工藝中普遍采用。(2) PN結(jié)形成及其單向?qū)щ姍C理 P型與N型半導體在物理上接觸一起時，交界兩側(cè)存在電子與空穴的濃度差異(濃度梯度)。在無規(guī)那么的熱運動中，首先從界面兩側(cè)附近開始，N區(qū)的電子將向P區(qū)擴散，留下帶正電荷的雜質(zhì)離子(這些雜質(zhì)離子在晶體點陣中有其固定位

28、置，不能隨意移動，故不能參與導電)，形成一層正電荷區(qū)域。同理，P區(qū)的空穴將向 N區(qū)擴散，留下帶負電荷的雜質(zhì)離子，形成一層負電荷區(qū)域，從而在界面兩側(cè)形成一個由N區(qū)指向P區(qū)的電場 稱內(nèi)電場或自建電場，如下圖。N型區(qū)P型區(qū)+空間電荷區(qū)內(nèi)電場 內(nèi)電場方向?qū)⒆柚箶U散的持續(xù)進行，并會使電子與空穴產(chǎn)生與擴散運動方向相反的漂移運動，削弱內(nèi)電場。擴散與漂移相互聯(lián)系又相互矛盾，二者在一定溫度下到達動態(tài)平衡時，形成一個總量不變、穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的“空間電荷區(qū)。三.電力半導體器件根底 在整個空間電荷區(qū)范圍，正負電荷數(shù)量相等，整體保持電中性 稱PN結(jié)。 空間電荷區(qū)又稱耗盡層，因為該區(qū)域中的多子已經(jīng)擴散到對方被復(fù)合掉

29、，該區(qū)域中的多子濃度與P區(qū)和N區(qū)的多子濃度相比低得多，如同被耗盡一樣?？臻g電荷區(qū) 也稱阻擋層，因為它削弱載流子的擴散能力，阻止擴散運動的持續(xù)進行?？臻g電荷區(qū) 還稱勢壘區(qū)，因為內(nèi)電場存在使得N區(qū)電位高于P區(qū)電位接觸電位差，這是由于電子的勢能變化引起， N區(qū)電子向P區(qū)擴散必須越過這個能量高坡勢壘。 接觸電位差是PN結(jié)的重要特性參數(shù)之一，其大小與溫度T、P區(qū)的受主雜質(zhì)濃度Na、N區(qū)的施主雜質(zhì)濃度Nd等有關(guān)。對于突變結(jié)，接觸電位差U0可近似為： 式中q為電子的電量(q=1.6021019庫侖)，k=1.38 1019焦耳/K(Kailvon,絕對溫度) 玻爾茲曼常數(shù)。nT 溫度為T時的本征載流子密度，

30、一般T nT 。常溫下可計算出硅PN結(jié)的U0V。 假設(shè)在PN結(jié)上外加正向電壓VF，即P區(qū)接VF正端， N區(qū)接VF負端，外加電場與內(nèi)電場方向相反，如下圖，那么使內(nèi)電場削弱，打破擴散運動與漂移運動的原有平衡，使擴散運動得到增強，產(chǎn)生N區(qū)電子流向P區(qū)以及P區(qū)空穴流向N區(qū)2. PN結(jié)的擴散電流。 N區(qū)電子通過空間電荷區(qū)進入P區(qū)成為P區(qū)少子，P區(qū)空穴通過空間電荷區(qū)進入N區(qū)成為N區(qū)少子 稱少子注入效應(yīng)。由于注入的少子與被注入?yún)^(qū)多子的復(fù)合原因，少子注入并不會在PN結(jié)邊界處形成積累而反過來增強內(nèi)建電場。從而在外電路作用下會形成穩(wěn)定的、源源不斷的擴散電流。假設(shè)外加正向電壓VF升高，那么會進一步削弱內(nèi)電 假設(shè)在P

31、N結(jié)上施加反向電壓VF，即P區(qū)接VF負端， N區(qū)接VF正端，外加電場與內(nèi)電場方向相同，那么使空間電荷區(qū)電場增強，進一步強化載流子的漂移運動和對擴散運動的抑制 PN結(jié)邊界處P區(qū)一側(cè)的少子(電子)將被空間電荷區(qū)的強電場掃向N區(qū)，N區(qū)一側(cè)的少子(空穴)也會被空間電荷區(qū)的強電場掃向P區(qū)，這些少子被強電場掃走之后中性區(qū)的少子通過擴散流向PN結(jié)邊界處，在外電路作用下形成源源不斷的反向電流 稱少子抽取效應(yīng)。N型區(qū)P型區(qū)+空間電荷區(qū)內(nèi)電場VFIF外加電場場、增大擴散電流。故正向偏置的PN結(jié)呈現(xiàn)為一個很小的電阻，流過較大的正向電流。 由于少子濃度在一定溫度下是一個常值，且一般遠遠低于多子濃度，因此PN結(jié)的反向電

32、流是一個幾乎與外加反向電壓無關(guān)的很小的“飽和電流，一般為微安數(shù)量級。亦即，反向偏置的PN結(jié)呈現(xiàn)為一個很大的電阻，對反向電流具有阻斷能力，只會流過很小的反向“漏電流，這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴Ｈ?電力半導體器件根底Is 反向飽和電流; V 外加電壓; T 絕對溫度; q 電子電荷量; K 玻爾茲曼常數(shù); VT 溫度的電壓當量(常溫時約0.026V) 分析該式可知，假設(shè)外加正向偏置電壓V遠大于VT ，式中指數(shù)項那么遠大于1，正向偏置電流隨V的增加呈指數(shù)規(guī)律上升。而反向偏置時，外加電壓V為負值，式中指數(shù)項隨V絕對值的增加很快衰減到零，I反向飽和電流(Is), 為一個常數(shù)，不隨外加電壓變化。(3) P

33、N結(jié)的反向穿通與反向擊穿 反向偏置的PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力。但反向電壓過大，超過一定限度，反向電流就會急劇增大，破壞PN結(jié)的反向阻斷能力反向穿通或擊穿。 根據(jù)理論分析，PN結(jié)的電流電壓關(guān)系可用下式近似表示： 反向耐壓很高、正向?qū)娏魅萘坑趾艽蟮腜N結(jié)容易出現(xiàn)反向穿通問題。2. PN結(jié)雪崩擊穿：反向電壓增大空間電荷區(qū)的電場強度增大從中性區(qū)漂移進入空間電荷區(qū)的載流子被加速，獲取很高動能這些高能量、高速載流子撞擊晶體點陣原子使其電離(碰撞電離) ，產(chǎn)生新的電子空穴對新產(chǎn)生的載流子也被加速獲取能量，產(chǎn)生新的碰撞電離，使載流子迅速成倍增加 即雪崩倍增效應(yīng)，導致載流子濃度迅速增加，反向電流急劇增大

34、 PN結(jié)反向擊穿。 反向擊穿分為雪崩擊穿、齊納擊穿。這種PN結(jié)通常是一側(cè)為重摻雜、另一側(cè)為輕摻雜的、電阻率較高的單邊突變結(jié)，為減小正向?qū)〞r的功率損耗，輕摻雜區(qū)的厚度都盡量減小。當PN結(jié)反向偏置時，空間電荷區(qū)就會主要在輕摻雜一側(cè)擴展，外加電壓將主要由輕摻雜一側(cè)承受。假設(shè)摻雜均勻性不高，存在更低摻雜區(qū)，在高反壓條件下，空間電荷區(qū)擴展就很可能突破更低摻雜區(qū)而與電極直接連通，從而直接從電極抽取載流子，使反向電流急劇增大。硅P+N型的單邊突變結(jié)，穿通電壓可表示為：q電子電荷量；NN區(qū)摻雜濃度；W厚度；0 介電系數(shù)。 由于載流子獲取足以電離晶體點陣原子的動能需要足夠加速距離，新生載流子在進入中性區(qū)之前有

35、較多碰撞時機也需足夠?qū)挾龋┍罁舸┮话惆l(fā)生在空間電荷區(qū)較寬、且是輕摻雜側(cè)。三.電力半導體器件根底齊納擊穿：亦稱隧道擊穿, 一般對于重摻雜的PN結(jié)(一些特殊器件，如大電流容量)才會發(fā)生。重摻雜濃度的PN結(jié)，一般空間電荷區(qū)很窄，空間電荷區(qū)中的電場因其狹窄而很強， P區(qū)與N區(qū)之間能帶間距也很小 反偏又使空間電荷區(qū)中的電場強度增加，能帶間距進一步減小 空間電荷區(qū)中的晶體點陣原子直接被電場電離，從P側(cè)價帶釋放出價帶電子參與導電(相當于從P區(qū)價帶而不是導帶直接抽取電子) 使反向電流急劇增加。NN區(qū)摻雜濃度。假定N從1019/m3 提高到51020/m3，那么UB將從大約9500V降低為500V左右。雪崩擊

36、穿電壓會隨輕摻雜區(qū)的摻雜濃度升高而降低，如，硅P+N型的雪崩擊穿電壓可表示為： 上述兩種擊穿形勢都是可逆的，即，只要在外電路中采取適當措施，使反向電流限制在一定范圍內(nèi)，保證反向電壓與反向電流的乘積不超過PN結(jié)允許的耗散功率，在反向電壓降低后PN結(jié)仍可恢復(fù)原來狀態(tài)。但是，無論是正向還是反向偏置，如果流過PN結(jié)的電流與其電壓乘積超過PN結(jié)的允許耗散功率，就很可能因熱量積累導致PN結(jié)溫度上升，超過PN結(jié)的耐溫極限，造成PN結(jié)的永久損壞。2. PN結(jié)(4) PN結(jié)的電容效應(yīng) PN結(jié)中的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng) 稱結(jié)電容。 結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是在高頻情況下，會使其單向?qū)щ娦宰儾?/p>

37、，甚至無法工作。 PN結(jié)電容主要由勢壘電容和擴散電容組成。勢壘電容。 PN結(jié)存在空間電荷區(qū)，由于空間電荷區(qū)中沒有可動電荷，猶如一層絕緣介質(zhì)。對于平面結(jié)，空間電荷區(qū)兩側(cè)的低阻N型和P型中性區(qū)如同兩個可以存放電荷(載流子)的極板，與空間電荷區(qū)一起構(gòu)成一個電容器。由于空間電荷區(qū)是載流子的勢壘區(qū) 故稱此電容為勢壘電容。 電容的根本功能是充放電，勢壘電容的充放電是通過空間電荷區(qū)寬度的改變來進行的。當PN結(jié)正偏、正偏電壓增加以及反偏電壓減小時， N區(qū)和P區(qū)的多數(shù)載流子進入阻擋層，與邊界處的相反極性的空間電荷中和，使空間電荷區(qū)寬度變窄，相當于將這些載流子存放在空間電荷區(qū)充電。當PN結(jié)反偏、反偏電壓增加以及正

38、偏電壓減小時，空間電荷區(qū)兩側(cè)邊界處產(chǎn)生離化，釋放出局部載流子，空間電荷區(qū)變寬放電。 勢壘電容大小與PN結(jié)截面積、阻擋層厚度有關(guān)。一般而言， PN結(jié)截面積越大勢壘電容越大，阻擋層厚度越厚勢壘電容越小。但是勢壘電容不是一個三.電力半導體器件根底常數(shù)，其大小會隨外加電壓不同而改變。并且只有在外加電壓變化時勢壘電容才起作用，外加電壓變化頻率越高，勢壘電容作用越顯著。 擴散電容。 PN結(jié)的正向電流是由P區(qū)的空穴與N區(qū)的電子相互向?qū)Ψ綌U散形成的。 PN結(jié)正偏時，大量電子由N區(qū)進入P區(qū)，成為P區(qū)的少子。同樣大量空穴由P區(qū)進入 N區(qū)，成為N區(qū)的少子稱作少子注入效應(yīng)。但是這些進入P區(qū)的電子并不能立刻與多子空穴復(fù)

39、合，進入N區(qū)的空穴也不能立刻與多子電子復(fù)合，而是在靠近阻擋層的一定距離內(nèi)(稱擴散長度)一邊繼續(xù)擴散，一邊復(fù)合后消失(直到消失所需平均時間稱作少子壽命)。因此，在擴散長度內(nèi)也積蓄有一定數(shù)量電荷，隨正向電壓變化也具有電容性質(zhì)擴散電容。 擴散電容是由PN結(jié)正偏的少子注入效應(yīng)所產(chǎn)生， PN結(jié)反偏沒有少子注入效應(yīng)問題，因此，只有在PN結(jié)正偏情況下才能明顯表達出擴散電容問題。并且正偏電壓越高、正向電流越大，擴散長度內(nèi)積蓄電荷數(shù)量就越多，擴散電容作用越顯著。擴散電容同樣也不是一個常數(shù)。 綜上所述，PN結(jié)電容主要由勢壘電容和擴散電容組成。在PN結(jié)正偏狀態(tài)下，當正向電壓較低時，擴散運動較弱，擴散電容相對較小，勢

40、壘電容相對占主要成份。正向電壓較高時，擴散運動加劇，擴散電容近似按指數(shù)規(guī)律上升，擴散電容那么成為主要成份。 PN結(jié)反偏時，擴散運動被強烈抑制，擴散2. 電力電子器件四. 常用電力電子器件：1. 電力二極管(Power Diode) A(Anode) K (Kathode)電容很小，PN結(jié)電容那么以勢壘電容為主，如下圖。VC勢壘電容擴散電容 由于PN結(jié)的電容效應(yīng)，使得PN結(jié)在兩個穩(wěn)定的偏置狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時必然經(jīng)歷一個過渡過程 需要一定時間調(diào)整PN結(jié)某些區(qū)域的帶電狀態(tài)。以PN結(jié)從正偏到反偏狀態(tài)轉(zhuǎn)換為例：PN結(jié)在正偏時突然令偏壓反向，則N區(qū)中正偏時積累起來的空穴將會被空間電荷區(qū)的強電場抽回P區(qū) 相當于

41、結(jié)電容放電。由于這些空穴密度遠高于N區(qū)中的原有少子空穴密度，偏壓反向時的瞬間反向電流一般很大，直到這些積累空穴被抽取到一定程度之后，反向電流數(shù)值才開始下降。然后再經(jīng)一段時間才降為反向電流飽和值這就造成關(guān)斷時間或反向恢復(fù)時間。分析表明關(guān)斷時間與存貯區(qū)的少子壽命有關(guān)，少子壽命越長，關(guān)斷時間越長。為了盡量減小關(guān)斷時間，除在器件結(jié)構(gòu)上設(shè)法之外，經(jīng)常還采用摻入一些特殊物質(zhì)(如金)或使用高能射線(如射線)或電子束輻射等方法，盡量縮短少子壽命。四. 常用電力電子器件：四. 常用電力電子器件2. 晶閘管(Thyristor) AKG3. GTO(Gate Turn-Off Thyristor)AKG4. MO

42、SFET(Power Metal Oxide Semicon-ductor Field Effect Transistor)GSD5. IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor)6. IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)AKG1G2AKGIGCTGCEGCEIGBT導通: G1與G2同時驅(qū)動；關(guān)斷: G1先工作，局部主電流由陰極向門極夢想， 此后G2關(guān)斷，此段轉(zhuǎn)換時間約1s。7. 寬禁帶半導體電力電子器件 隨著電力電子技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，對電力電子器件耐高壓、耐高溫、大電流和高速度的要求也越來越迫切。經(jīng)過幾十

43、年的挖掘，以硅材料為基底的電力電子器件已沒有太大發(fā)展空間。應(yīng)運而生的寬禁帶半導體電力電子器件在許多方面都有著獨特的優(yōu)勢，主要有：2. 電力電子器件 自我熟悉各種電力電子器件相關(guān)內(nèi)容：(1) 類型及特點；(2) 通、斷過程機理；(3) 特性、主要性能參數(shù)及其意義；(4) 電路運行條件對器件性能或特性的影響；(5) 驅(qū)動及要求；(6) 使用保護(電壓保護、電流保護等)。 耐高溫：最高工作溫度有可能超過600oC; 耐高壓：擊穿電場強度高；電流容量大、通態(tài)壓降?。和☉B(tài)電阻比(器件單位面積的通態(tài)電阻)同功率 等級硅器件的1/1001/200； 工作頻率高：相比同功率等級的硅MOS器件工作頻率至少提高1

44、0倍以上， 等等。 一些寬禁帶半導體電力電子器件已經(jīng)商品化，如，1200V/20A的Sic肖特基二極管系列產(chǎn)品已有出售；一些Sic-MOS器件已經(jīng)投入使用等等，詳細可查看?寬禁帶半導體電力電子器件及應(yīng)用?，陳治明、李守智編著，機械工業(yè)出版社，2021年1月。四. 常用電力電子器件 通、斷過程機理分析 t t1, uD由反向偏置轉(zhuǎn)為正向, t t2, 二極管正偏導通, iD緩升。器件在導通期存在動態(tài)壓降, uD可表示為： 器件導通初期，器件電阻主要是摻雜濃度較低的N區(qū)歐姆電阻(中央?yún)^(qū)電阻), 阻值較高且根本穩(wěn)定, uD隨iD增大而升高。iD到達一定值后，由于注入并累積在N區(qū)的空穴(少子)不斷增加

45、，使電阻率明顯降低, N區(qū)電阻隨iD增大反而下降電導調(diào)制效應(yīng)。電導調(diào)制效應(yīng)使uD在到達峰值Ufm后轉(zhuǎn)為下降。iD2VuDttt1t2t3t4t5t6t7t8U0 類型：根據(jù)不同導電機理：結(jié)型(PN結(jié)型，雙極型器件)、勢壘型 (單極型器件)；根據(jù)不同反向恢復(fù)速度：普通型、快速及超快恢復(fù)型；根據(jù)不同反向電流衰減速度：硬恢復(fù)、軟恢復(fù)型。2. 電力電子器件當iD=IFm時，有：Ron對應(yīng)穩(wěn)態(tài)電流Ifm的穩(wěn)態(tài)導通電阻。五. 電力電子器件的緩沖電路：1. 耗能式緩沖電路 電力電子器件由斷態(tài)轉(zhuǎn)為導通時： 可能流過較大di/dt，對開關(guān)器件造成di/dt損害； 開關(guān)S 兩端電壓與流過S 的電流可能同時為最大，

46、造成較大開通損耗，如下圖 需施加開通緩沖電路。RLSVCCuCiC(1) 開通緩沖RLSVCCuCiCLonDonRLSVCCuCiCLonRonDonVCCRLSuCiCLsonRonDonLon: 緩沖電感; Don: 續(xù)流二極管; Ron: 耗能電阻; Lson: 飽和電感起始Lson為高阻抗 uC 下降到零 iC 最大 Lson 處于飽和開通緩沖效果更佳。iCuCPCtLon較小iCuCPCtLon較大tiCuCPCLon=0抑制di/dt 耗散Lon能量 改善緩沖效果開通后使Lon失效2. 電力電子器件五. 電力電子器件的緩沖電路(2) 關(guān)斷緩沖 S由通態(tài)轉(zhuǎn)為關(guān)斷時： 可能出現(xiàn)過大瞬

47、時電壓尖峰(回路中電感或雜散電感引起)以及過大di/dt (易使器件誤通) ，對S造成電壓損害； 開關(guān)S 兩端電壓與流過S 的電流可能同時為最大，造成較大開通損耗，如下圖 需施加關(guān)斷緩沖電路。RLSVCCuCiCCOffRLSVCCiCRLSVCCiCCOffROffuCiCPCtCOff較小uCiCPCtCOff較大uCiCPCtDOffRLSVCCiCCOffROffRCD型DOffRLSVCCiCCOffROff放電阻止 型 抑制 du/dt 耗散 Coff能量改善抑制 du/dt效果Coff能量 釋放給負載2. 電力電子器件(3) 復(fù)合緩沖RLSVCCiCLonRDC 將開通緩沖與關(guān)斷

48、緩沖二者結(jié)合起來，可組成如下圖的復(fù)合緩沖電路。 S開通時， Lon緩沖電流上升率，抑制di/dt。 S關(guān)斷時，C經(jīng)D旁路S，吸收關(guān)斷時電路中的額外能量，防止關(guān)斷瞬時電壓尖峰對S造成損害。 S再開通時， C經(jīng)R、Lon、S放電，為吸收S再次關(guān)斷時的額外能量做好準備。2. 饋能式(無損)緩沖電路(1)饋能式開通緩沖電路VCCRLSiCDonDL*1:N 無源饋能式開通緩沖如下圖。緩沖電路接有匝數(shù)比1:N、同名端相反的變壓器。S開通時， 變壓器一次側(cè)具有一定電感，起緩沖電感作用。 S關(guān)斷時，變壓器中的儲存能量經(jīng)Don回饋電源VCC。匝數(shù)比大小會影響電路工作：N越大，會降低 S的承受電壓，回饋能量越快

49、。但會使Don耐壓水平提高，同時會使變壓器鐵芯恢復(fù)時間加大，反過來又影響能量回饋速度，使用中應(yīng)綜合考慮匝數(shù)比的大小設(shè)置。無源饋能式開通緩沖五. 電力電子器件的緩沖電路 如下圖為有源饋能式開通緩沖電路，SMPS為開關(guān)電源電路。S關(guān)斷時，Lon中的儲存能量經(jīng)D0轉(zhuǎn)移給C0。SMPS 將C0上的較低電壓轉(zhuǎn)換為適合向電源回饋的較高電壓。C0充電時間長短與S關(guān)斷時流過Lon的電流大小有關(guān)，適當控制SMPS可使C0電壓保持恒定，也可改變C0充電電流使Lon恢復(fù)時間維持恒定。RLSVCCiCLonD0C0SMPS 有源饋能式開通緩沖電路(2)饋能式關(guān)斷緩沖電路 無源饋能式關(guān)斷緩沖如下圖。S關(guān)斷時, Cs經(jīng)D

50、s充電吸收能量。S開通時, Cs經(jīng)L0、D0、C0 和S回路產(chǎn)生振蕩，將Cs的儲能轉(zhuǎn)移給C0 ，極性如圖中所示。 S再次關(guān)斷時, Cs再次充電儲能，C0經(jīng)Dc向負載RL放電，使能量得到回饋。 電路參數(shù)設(shè)計的關(guān)鍵是：在S開通時段內(nèi)，振蕩回路足以保證將Cs的儲能完全轉(zhuǎn)移給C0。否那么，Cs上形成的能量積累將嚴重影響Cs 在S關(guān)斷時的吸收效果。 無源饋能式關(guān)斷緩沖電路RLSVCCiCL0DLCSDCD0DSC02. 電力電子器件 有源饋能式關(guān)斷緩沖電路RLSVCCiCL0DLCSD0DSC0SMPS 如下圖為有源饋能式關(guān)斷緩沖電路。 S關(guān)斷時, Cs經(jīng)Ds充電吸收能量。S開通時, Cs經(jīng) S 、C0

51、 、L0 和D0回路產(chǎn)生振蕩，將Cs的儲能轉(zhuǎn)移給C0 ，極性如圖中所示。 SMPS 將C0上的較低電壓轉(zhuǎn)換為適宜的電壓向電源回饋或作他用。 與無源饋能式關(guān)斷緩沖電路相類似，參數(shù)設(shè)計的關(guān)鍵是：在S開通時段內(nèi)，振蕩回路足以保證將Cs的儲能完全轉(zhuǎn)移給C0。(2)無源饋能式復(fù)合緩沖電路iC 無源饋能式復(fù)合緩沖電路RLSVCCL0DLCSDCD0DSC0 將無源饋能式開通緩沖與關(guān)斷緩沖二者結(jié)合起來，可組成如下圖的復(fù)合緩沖電路。 L0在S開通時起抑制di/dt 作用，并且Cs經(jīng)D0 、C0 、L0 和 S回路將Cs的儲能轉(zhuǎn)移給C0 。 S關(guān)斷時， Cs經(jīng)Ds充電吸收能量，并且C0 、L0 并聯(lián)將存儲能量經(jīng)

52、DC饋送給負載RL。六. 電力電子器件的散熱2. 散熱途徑 器件流經(jīng)電流 功耗發(fā)熱結(jié)溫升器件特性變化(影響電路工作性能) 甚至器件永久性熱損壞。散熱直接影響器件使用壽命。 尤其功率器件芯片面積大溫度分布不均，存在局部過熱點規(guī)定最高工作結(jié)溫 本征失效溫度。散熱影響器件額定電流使用(低溫超導為例)。 硅器件為例: 一般商業(yè)用135150oC; 軍用125 135oC; 航天及超可靠要求場合105oC。鍺器件更低。1. 散熱必要性 熱對流：被加熱介質(zhì)移動帶走熱量。自然對流(如, 被加熱介質(zhì)變輕飄升), 強迫對流(如, 依靠外界力量迫使被加熱介質(zhì)移動)。A: 輻射外表有效面積；Ts: 輻射外表溫度；T

53、a: 環(huán)境溫度。 e: 輻射外表發(fā)射率(材料、外表光潔度、顏色等有關(guān),如黑色e1,其他色e (0.110.0)M cm，k cm 過份降低電導率增加水處理難度，大功率變流設(shè)備冷卻水電阻率一般在(210)M cm之間。 循環(huán)式水通過被冷卻的電子元件沿水路將熱量帶走，進入冷卻裝置使水降溫，經(jīng)水處理后再經(jīng)循環(huán)泵將水增壓循環(huán)使用。冷卻裝置：敞開式噴淋 、鼓風等方式將熱量散發(fā)到大氣,水的揮發(fā)損失大、空氣中雜質(zhì)污染循環(huán)水、水中含氧量及沉淀鹽分積多加大腐蝕性；密閉式風冷換熱器或其他制冷方式使水降溫,不直接接觸大氣。水耗小、水純度高。 水冷散熱效率自然空氣冷卻 的150 300倍，500A以上元件多用水冷。水

54、處理循環(huán)水泵5. 散熱措施2. 電力電子器件 水冷散熱需保證一定的水流量，可采用Icepak、Ansys等軟件進行仿真計算。假設(shè)根據(jù)器件功耗PW 進行估算: 冷卻水單位時間能夠帶走的熱量：Q = C . m.TC ；T 水溫升：入水溫度出水溫度；m 單位時間流出的水的質(zhì)量： m =水比重水流橫截面積 水流速。 冷卻水單位時間能夠帶走的熱量應(yīng)器件功耗PW 。 通常要求循環(huán)水泵能夠提供 15 MPa 的水壓根據(jù)水路的水阻大小確定，水管越細水阻越大。普通變流器冷卻水壓多在13 Mpa ( 1MPa2 ，1Pa=1N/m2 ) 之間。一個循環(huán)式水冷散熱系統(tǒng)示意圖如下圖。5. 散熱措施六. 電力電子器件

55、的散熱(4) 微通道冷卻(micro-channel heat-sink)。通過微加工技術(shù)在高導熱率的材料上加工出微通道(通道直徑為微米級) ，底面上的熱量經(jīng)過微通道壁傳導至通道內(nèi)，然后被強制對流的流體帶走。 微通道尺寸微小，極大增長了冷卻流體與散熱器的接觸面積液體在微通道內(nèi)被加熱會迅速開展為核態(tài)沸騰，具有很大換熱能力 比常規(guī)空氣風冷的傳熱能力高出12個數(shù)量級，可達800 w /cm2，極大提高了散熱效果。 水冷散熱的主要缺乏：冷卻水結(jié)露問題、使電設(shè)備所處環(huán)境潮濕問題、水路低溫結(jié)冰問題等等。 微通道冷卻也是目前國內(nèi)外研究熱點，研究內(nèi)容主要側(cè)重于通過試驗研究微通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)對通道內(nèi)的流動換熱過程

56、、流動阻力(通道兩端壓差)的影響，但對微尺度傳熱機理與理論研究比較少。 液體單向流經(jīng)截面積極小的微通道會伴隨很大溫升 引起熱應(yīng)力過高或芯片熱電不匹配等嚴重問題。增大流速可降低溫升，但流速又受各種因素制約不能足夠大。利用氣液相變可以解決溫度梯度過高問題，但這又會帶來結(jié)構(gòu)復(fù)雜、流動需要更大壓降等問題。5. 散熱措施2. 電力電子器件(5) 半導體制冷。半導體制冷是由半導體按照特殊結(jié)構(gòu)組成的一種制冷裝置，是近年來迅速開展的一項高新技術(shù)。其根本原理是珀耳貼效應(yīng)，如下圖。由X及Y 2種不同的金屬導線所組成的封閉線路通電之后，“冷端吸收的熱量被電流攜帶轉(zhuǎn)移到“熱端，再經(jīng)“熱端不斷散發(fā)出去，從而使“冷端 得

57、以“冷卻。 一個半導體制冷片由幾十個PN型“半導體顆粒串聯(lián)而成，如下圖。 PN型半導體通過金屬導流片鏈接，當電流由N通過P時，電場使N中的電子和P中的空穴反向流動，他們攜帶的來自冷端的熱能，被熱端導流片吸收，在制冷片兩個外表形成一個溫差。再通過風冷/水冷對熱端進行降溫，這就是半導體制冷的工作原理， 半導體制冷的優(yōu)勢在于：能使溫度降至室溫以下滿足高熱流密度特殊情況；5. 散熱措施六. 電力電子器件的散熱oC；無運動部件，無噪音、失效低；可靠性高，使用壽命長(可長達20萬小時)等。缺點是：制冷溫差小、制冷效率低；需要一個高穩(wěn)定度的直流供電(一個制冷片一般約需幾十W功率)，本錢較高；可能在被散熱的半

58、導體芯片周圍結(jié)露，造成半導體芯片電路短路；假設(shè)熱端散熱不到位，易形成被散熱半導體芯片燒毀危險。(6) 噴射冷卻技術(shù)(spray-cooling)。近年人們將噴射冷卻技術(shù)用于電子電氣設(shè)備冷卻以滿足更高功率密度的冷卻要求, 被公認是解決極高熱負荷的首選冷卻方法。 噴射冷卻具有射流沖擊和沸騰傳熱兩種強化傳熱作用, 據(jù)雷尼技術(shù)公司介紹, 采用ESC噴射冷卻技術(shù)的散熱量最高可達800W/cm 。采用噴射冷卻的IGBT模塊, 冷卻液的流量僅為一般微通道冷卻器的1/101/20。冷卻液入口被冷卻器件 噴射冷卻原理如下圖。功率元件安置于密閉容器中，冷卻液經(jīng)噴嘴噴為霧狀，均勻沖擊被冷卻外表。霧滴受熱蒸發(fā)，在壓力

59、作用下被帶出冷卻腔體，5. 散熱措施2. 電力電子器件 與噴射冷卻類似的還有射流沖擊冷卻技術(shù)，主要用于新型微電子芯片的冷卻。(7) 化學制冷。所謂化學制冷，就是使用一些超低溫化學物質(zhì)，如，干冰、液氮，利用它們在常溫下氣化，迅速吸收大量的熱來制冷。這種散熱方式可以帶來頂級的散熱效果，如，使用干冰可以將溫度降低到零下20以下；利用液氮可以將溫度降到零下100以下。由于價格昂貴、持續(xù)時間太短，這這種散熱方法多見于科學實驗或其他極端重要場合。(8) 一些新型材料散熱：如熱解石墨、碳泡沫等。 在真空爐中處于高溫狀態(tài)的碳氫化合物氣體分解而成的熱解石墨, 重量輕且具獨特的定向傳熱特性: 高度陣列的水晶狀石墨

60、在平面上的熱導率能達1700W /mK, 接近紫銅的4倍; 平行的呈六邊形的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)使其強度高, 但層與層之間接合力低又使其脆弱易碎。如圖將熱解石墨壓裝入密閉的盒體中，可綜合兩種材料優(yōu)點, 不僅熱導率高(接近1400 W/mK), g /cm3), 成為理想的導熱材料卻很昂貴！5. 散熱措施六. 電力電子器件的散熱 碳泡沫：橡樹山國家實驗室(ORNL)開發(fā)了一種制造多孔性碳泡沫材料的高效、低本錢工藝方法，將其作為電力電子器件的散熱。此種多孔性碳泡沫具有低密度、高熱導率、相對大的外表積和開放式結(jié)構(gòu)等諸多特點，是一種理想的電力電子器件散熱材料。右圖示出采用此材料的某型散熱器，下表給出這種材料與銅