关于电力电子与电力拖动方面新技术的文献综述

关于电力电子与电力拖动方面新技术的文献综述
摘要——
在过去的年50年中, 电力电子和电力拖动学得到迅速的发展, 现已形成了一门内容繁多、跨多门学科的综合性学科。

电力电子学和电机拖动学广泛应用在工业、商业、房地产业、军事、航空业及环保业；随着
半导体器件的不断革新, 转换器拓扑学、分析和模拟技术、控制和估算技术的发展, 又进一步推动了电力电子学的发展；人工智能技术，仿真网络的发展给电力电子工程带来了更多的挑战,21世纪的发展趋势是全球工业自动化、能量的
产生和节能、环境污染控制, 电力电子对此的广泛影响是不可估量的。

Summary——
In the past 50 years, power electronics and electric drive, the rapid development, has formed a content range of cross-discipline comprehensive discipline. Power electronics and motor drive, widely used in industrial, commercial, real estate, military, aviation and environmental protection industry; with Innovation in the semiconductor device, the converter topology, analysis and simulation technology, control and estimate the development of technology, a further boost to the development of power electronics; artificial intelligence, simulation of network development of power electronics engineering more the challenges of the 21st century trend is a global industrial automation, energy generation and energy conservation, pollution control, the wider implications of the power electronics is immeasurable
关键字：电力电子，电力拖动，半导体器件
Keywords：power electronics，electric drive，semiconductor device
一电力电子技术
固态电力电子时代开始于20世纪50年代后期出现的可控硅整流器, 接着又陆续出现了很多器件, 如三端双向可控硅开关元件（1958）、矩形脉冲断开可控硅整流器（1958）、双极晶体管（BJT）、绝缘栅双极型晶体管等。

随着更先进器件的不断出现, 现有器件的额定电压、额定电流及电气效应正发生着显著改善, 20世纪后十年中, 转换器、控制系统等器件取得惊人的发展, 这是“电力电子的十年”。

可控硅整流器应用于低频高功率系统, 例如高压直流输电系统、静电控制型静态补偿、循环变流器和负荷转换器同步机器设备。

通常, 设备的额定电压和额定电流可达到8KA和4KA。

而ABB公司推出的单片可控硅交流开关的额定电压达到28至65kv, 额定电流为3KA至6KA。

随着大型闸门电路断开的出现又推动了可控硅电压反馈转换开关(GTO)市场。

目前, 对于应用大型闸门电路断开的大型电压反馈转换开关可获得额定电压6kv, 额定电流6KA(三菱公司)。

传统GTO是电流注人型自关断电力电子器件, 具有制造成本低和成品率高的优点, 但其门极电路和吸收电路复杂影响了在实际应用中的广泛性。

新一代的金属氧化物场效应管的通态电阻不仅比PN结的正向好, 甚至比过去认为的最低正向电阻的肖特基二极管还好。

因而MOSFET不仅是一种快速开关器件, 而且在一定的条件下, 它还是一种最佳的整流元件。

这些优点使MOSFET 几乎进人了功率变换的每一个领域。

现在功率MOSFET的额定值也已得到增加, 但它最初大都用在高频切换模式供电和便携式设备上。

1998年, 德国推出冷金属氧化物, 它仅有20%的传导率损耗并且降低了开关损耗, 双极管的出现更是
昙花一现, 这是由于高端的绝缘栅双极管和低端的功率金属氧化物场效应管出现的缘故。

绝缘栅双极型晶体管的出现是电力电子器件发展史上一个重要的里程碑。

它
集VMOS管电压激励和GTR导通电压小的优点于一体, 为电压控制通断的自关断器件, 它具有高的输人阻抗, 高的开关速度, 高的极限工作温度, 高的耐压及
高的工作稳定性和可靠性;具有开关损耗小, 驱动电路简单, 驱动功率小损耗低, 电流容量大, 抗浪涌电流能力强, 安全工作区宽, 连接容易等优点, IGBT正日
益广泛地应用于小体积、低噪声、高性能的变频电源、逆变器、不间断电源以及电机速度控制装置等领域之中。

现在商用IGBT的额定电压和额定电流可分别达到3.5KV,1.2KV,在实验测试上可获得6.5KV和10KV的设备。

集成门换向可控硅整流器IGCT是一种带有内嵌式门驱动器的硬件驱动式闸门电路断开, 其设计可应用于6KV,6KA(实验条件下可获得10KV的设备)。

IGCT
的通态损耗很低(约为同电压的IGBT/2), 对散热要求不高, 而且其存储时间短,串联使用时, 各个关断时间偏差极小, 分担电压均衡, 非常适合中电压大功率
应用场合。

最近, ABB公司推出了可应用在电压反馈转向器上的反向闭锁IGCT.
大带隙炭化硅电力电子器件有望成为下一代功率器件, 这由于其具有很高
的载流子迁移率、导电率、电热率和强辐射硬度。

这些器件可以被制成具有更高电压、更高温度、更高频率和更低的传导率下降的器件。

二电力电子器件发展现状与趋势
三大功率半导体器件的发展
目前，碳化硅晶体缺陷和碳化硅晶片的高昂成本是其在大功率器件上应用的一个主要制约因素，要生产电流和电压范围适用于中压驱动应用场合的碳化硅材料和器件目前还相当困难。

尽管如此，碳化硅仍是将来代替硅的最有前途的宽带隙半导体材料。

碳化硅器件已经在诸如高电压整流器以及射频功率放大器等领域有了商业应用。

在过去的15年中，碳化硅器件在材料和器件质量方面均取得了令未来应用市场瞩目的飞速发展。

然而，材料存在的缺陷依然制约着这些器件商业化的大量生产。

碳化硅材料存在许多缺陷，其中微管缺陷MPD（Micro-Pipe-Defect）和Bazel平面缺陷BPD（Bazel-Plane-Defect）对器件特性的影响特别显著，受到了广泛的关注。

因材料区域中的微管对器件品质的影响是关键的，所以微管密度是碳化硅材料质量最重要的指标之一。

自1997年以来，碳化硅材料的微管密度得到了逐步的减小。

2004年日本丰田公司在《Nature》杂志
上报道，用“重复a平面”（RAF）方法生长的高质量碳化硅晶片，彻底消除了微管并且大大减少了其他缺陷的密度。

其后，美国的Intrinsic公司也独立研发出了零微管碳化硅晶片生长方法，并于2006年被美国Cree公司所收购，促成了Cree公司晶片技术的进一步提高。

除微管外，BPD缺陷对有少子注入效应的双极型器件的工作长期稳定性有特别明显的影响，在双极型器件，如BJT和
P-i-N二极管等的使用中，由于BPD缺陷的扩展，引起器件通态压降逐步增加，导致器件性能长期退化。

近些年来Cree公司针对BPD缺陷进行了研发，较大程度上解决了这个问题。

由于SiC具有高的击穿电场强度，因此即使在比Si或GaAs更加薄（约为它们的1/10）的漂移层，SiC也能承受同样的电压，因而具有同样耐压水平的SiC 器件的导通电阻比Si器件的更低。

碳化硅电力电子器件的制造过程涉及到一些关键的器件工艺，主要包括掺杂、蚀刻、氧化层的生成、肖特基和欧姆接触等，经过多年的研发，这些工艺中的基础部分大都已基本形成。

碳化硅器件工艺的一个很大优点，是它在很大程度上与硅工艺相通，可以借助后者成熟的处理技术，这是其他任何宽带隙半导体材料所无法比拟的。

但是，还是有一部分工艺和处理技术没有得到很好的解决，其中，碳化硅MOS栅极氧化层的工艺就是一个难点。

现阶段工艺制成的MOS沟道界面状态密度依然较高，导致沟道中的电子迁移率不够理想以及沟道特性的长期稳定性欠佳，这个问题至今还没有得到完善的解决，在一定程度上影响了碳化硅功率MOSFET器件的产业化。

氮化镓材料也是一种新型的复合半导体材料，它的许多关键物理特性（如禁带宽度、击穿场强、电子迁移率）均与宽带隙半导体材料碳化硅相近。

因为缺乏高质量的氮化镓单晶衬底材料，它大多生长在蓝宝石（Sapphire）或者碳化硅的衬底上。

氮化镓器件的研发也已经有很多年的历史，它们基本应用在高频微波电路和系统中。

因为他们相对GaAs可以用于较高的母线电压（27 V），可以简化基
站通信系统并带来更高的效率。

近1~2年来，美国许多研发团队提出了在大尺寸（如6英寸）硅晶片衬底上生长氮化镓的方法，为制造较大面积的平面型功率器件提供了可能。

但是由于氮化镓P型掺杂技术问题尚未得到很好的解决，氮化镓功率器件主要是GaN肖特基二极管和AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）。

在器件结构上氮化镓肖特基二极管与碳化硅肖特基二极管基本一致，但是因为其薄膜生长在异种衬底上，二极管的阴极也必须在晶片上面引出，芯片面积利用率较低，并且给大电流器件的排版设计带来了困难。

现在美国Velox公司正在试图推出600 V/（ 4~8）A的快恢复二极管商业产品，初步测试表明，其通态压降和开关速度都与类似的碳化硅二极管相当。

氮化镓的HEMT是利用AlGaN和GaN异质结界面上自然生成的二维电子气（2DEG）导电的一种新型器件，这种二维电子气是这种异质结的独特效果，其电子面密度和迁移率都比较高，因此可以生产出通态电阻很小的器件。

美国加州大学（UCSB）研究团队报道，已研发出了1.1 kV，4.9 mΩ·cm2的平面型GaN HEMT，其优良特性指数已经接近垂直型的SiC MOSFET。

但是此器件为常通器件，对电力电子电路使用不利。

近期也有团队做出了阈值电压大于零的GaN HEMT，一定程度上解决了这个问题。

目前关于大电流高压的氮化镓HEMT功率器件的报道还比较少。

氮化镓器件的最大优点是，在大尺寸硅晶片上生长的可能性，这对降低器件成本起到关键性的作用。

但同时，氮化镓器件目前最大的问题也来自于在异种衬底材料上的生长，因为不同材料单晶晶格之间的错位，异种材料界面上不可避免地会出现高密度的各类缺陷，这些缺陷在器件应用过程中可能会严重影响器件的特性、稳定性和长期可靠性。

功率器件一般需要较大的芯片尺寸并工作在较高的结温，对器件的长期稳定及可靠性的要求尤为严格，至今尚未对氮化镓功率器件作大量研究工作。

因此，氮化镓器件要进入实际电力电子电路中应用，还需要投入大量研发工作，其独特的材料
特性使其拥有很大的发展空间。

四电力拖动
与电力电子器件和转换器的快速发展相比,电机和拖动系统的载重发展已经减慢。

在高性能拖动中, 机器构成了非常复杂的单元, 对于拖动系统工程, 现在热门的研究与发展话题是与机器模拟控制和状态参数估计有关的前沿研究。

随着带电力电子器件的低成本变频反相器的出现, 先进的数字信号处理器、性能强大的应用型专用集成电路（ASIC）和先进的控制预算技术的出现, 交流电动机正逐步取代传统的直流电动机。

工业应用最广的是带电压反馈反相器的鼠笼式异步电动机, 使用绕线转子式异步电动机的转差功率再生拖动也已经用在了数兆瓦的限速控制范围。

对于转换器来说, 可以利用其单机功率和超前功率因数的优点。

非常高功率的拖动(例如滚轧机和航海推进)使用带循环转换器、负载变换反相器或多级反相器系统的绕线磁极式电动机。

根据电机终端的感应电压波动永磁同步电动机可以分为梯形和正弦电机, 永磁同步电动机(PMSM)广泛应用在纤维离心机、伺服系统和自动化系统。

参考文献：[1] 电力电子和电力拖动学新技术综述杨丽洁
[2] 电子器件产业发展战略研究北京电力电子学会肖向峰
[3] 2011年IEEE国际电力电子器件及功率集成电路会议综述
北京工业大学电控学院胡冬青 [4] 大功率半导体器件的发展与展望
钱照明，盛况（浙江大学，浙江杭州310027）
[5] 电力拖动的发展及变频调速在电力拖动中的应用房兆源怀候。