电力电子发展趋势

该模块集成了带有液冷散热器的功 率单元、门极驱动电路、控制器和 保护电路
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集成门极换流晶闸管IGCT
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，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。 拥有开关损耗低、辅助电路简化、门极驱动功率低、 存储时间短、可靠性高和器件成本低等特点。
1500 V SiC MOSFET Rdson*S=25 Rdson*S=25 mΩ*cm2 (约1/25 硅 MOSFET)
当应用SiC制造的半导体器件得到广泛应用时，对 电力电子技术的影响将会是革命性的
电力电子器件的发展
氮化镓(GaN) 增强型功率管 : 具有高导 电性、极快开关、硅器件之成本结构 及基本操作模式等优异性能。 商用化代表企业：美国 IR 及美国宜普 电源转换公司（EPC） 从半导体制造、器件应用、性能指标 等方面具备独特优势，将成为典型第 三代半导体器件！ 半导体评估指标FOM：RDS(on)*QG FOM综合表征了器件的稳态损耗状态 及动态开关转换。
√ √ 电力电子器件发展 现代电力电子技术应用 开关电源技术发展
电力电子器件的发展历史
器件是推动电力电子技术发展的核心动力
PN二极管
市场上主要功率器件的定额
Si 器件
单极性器件 双极性器件
达林顿管
双极型 晶体管
金刚石 器件
晶
闸管
GaN 器件
超级结型(Super Junction) MOS
SiC器件
GaN较最好的MOSFET还要低近20倍！ 且在今后10年内有望提高10倍！
• EPC1010: EPC 200V GaN器件 • BandB: IR的IRF6641 • BandC: Fairchild的FDMS2672 • BandD: Vishay的Si7462DP
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EPC公司GaN应用对比
功率器件集成模块IPM
西门康SKAI模块(12只600V 非穿透型或6只1200V沟槽型 IGBT 组成)
6 电压[KV] 4 2 500 电压 电流
1000 电流[A]
0 IGBT电压电流耐量趋势图 0 1980 1990 2000 年份
IGBT ） 电子注入增强门极晶体管 IGBT IEGT IEGT(Toshiba (Toshiba ） 电子注入增强门极晶体管 RC-IGBT (Mitsubishi) RC-IGBT (Mitsubishi) 逆导 逆导 RB-IGBT RB-IGBT(Mitsubishi) (Mitsubishi)反向阻断 反向阻断 有关 IGBT 的研究已经趋缓，其性能已经达到一 有关 IGBT 的研究已经趋缓，其性能已经达到一 个很高的水平 个很高的水平
80mm2 PFC变换器效率对比
注：300KHz MOSFET（红色框图） VS. 800 KHz eGaN FET（橙色框图）
转换器的功率损耗对比
(a) 传统硅基功率器件 (b)GaN的功率器件 不同功率器件的功率布局
电力电子器件的发展
变压器是电力电子产品或开关电源中重要的必不 可少的部件，平面变压器是近两年的全新产品 平面变压器没有铜导线，以单层或多层印刷电路 板，厚度远低于常规变压器， 能量密度高，体积大大缩小，相当于常规变压器 的20%；效率高，通常为97%～99% 工作频率高，从 50kHz 到 2MHz ；低漏感（小于 0.2%）；低电磁干扰（EMI）等
电源分类
电源分为发出电能电源与变换电能电源两
大类 (输出均为电能)
发出电能的电源将一种形式的能量（机械
能、热能、化学能等）转换为电能，如发电 机、电池
电能转换的电源对电能进行变换，包括交 直流、大小、相位、频率、稳定度的提高等 （重点）
电能变换技术介绍
电力——交流和直流两种 从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和 干电池得到的是直流
现代电力电子应用
电力电子对能源和环保起着非常重要的作用 目前所有的能源中电力方面的能源约占40%，约 40%是经过电力电子的设备转换。其中55%以上 是用在马达和马达控制，20%是用在照明 如果采用好的电力电子技术，至少可节省约l／3 的能源，相当于840个发电厂发出的电能
现代电力电子应用
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现代电力电子应用
信息产业的发展，推动开关电源的迅速发展 2007年 6月Google和英特尔携手推动“ 绿色地球数 字护航计划”，推出更严格电脑和服务器电源标准 参与计划制造商；惠普、戴尔、IBM、联想以及微 软、台达、美国环境保护局等200多家厂商和大学 通过该项目，未来的电脑和软件将对能源管理作 出优化，最大程度降低产品功耗
电力变换四大类 交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流 表1 电力变换的种类 输出 直流 交流 输入
电力电子技术的组成
AC-DC DC-DC DC-AC AC-AC
PWM源自文库
(
交流 直流
整流器 直流斩波器
交流调压器
)
逆变器
进行电力变换的技术称为 变流技术
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电力电子器件的发展
器件起了推动电子技术发展的作用，当某种 关键的半导体器件诞生后，往往会引起产业 的一个飞跃 60年代首先是发明了半导体晶体管．接着是 大功率晶闸管和GTO 70年代初期有了大功率的晶体管，70年代末 就有了功率场效应管(Power MOSFET) , 80 年代IGBT，以及随后的MCT 90年代末SiC(碳化硅)半导体，开始逐渐商 用 目前GaN作为第三代半导体，将在今后5～l0 年会大量商用，并有革命性影响
现代电力电子应用
电网技术的发展：
运行方式 采用火电、水电、 核电等集中电源 分布式发电 能源多样化、高效 率、安装地点灵活 传统电网 微电网 整合多种能量源， 并网+孤网运行 运行特点 成本高，运行难度大， 单一化供电 单机接入成本高、电网 安全隔离要求 供电方式灵活、低成本、 低污染
未来电网将融合多种能量源，并大量应用 各种电力电子变换装置
电力电子器件的发展
硅材料“统治”半导体器件已50多年，发展趋缓 80年代砷化镓(GaAs)、半导体金刚石、碳化硅 (SiC)研究普遍，90年代后碳化硅研究成为热点 一段时间曾认为砷化镓取代硅半导体材料，目前 实验表明，碳化硅材料性能更优越 SiC导通电阻只有Si器件1/200；如电压较高的硅 MOSFET，导通压降3～4V，而SiC功率 MOSFET，导通压降小于1V，关断时间小于10ns 电压达300V的SiC肖特基二极管反向漏电流小于 0.1mA/mm，反向恢复时间几乎为零
电力电子器件的发展
超容电容器是电容器件近年来的最新进展，美国 的麦克韦尔公司一直保持着世界领先地位 采用了独特的金属/碳电极技术和先进的非水电解 质，具有极大的电极表面和极小的相对距离 现 在 已 开 发 生 产 出 单 元 容 量 小 到 10F ， 大 到 2700F，耐压为 650V应用 超容电容器可方便地串联组合成高压组件或并联 组合成高能量存储组件 典型应用：新型电能车或混合电能车；要求短期 不间断供电以及免受电力波动的特定应用场合
电力电子器件的发展
压电变压器（MPT）是应用电能→机械能→电能 的一种新型变压器，利用压电陶瓷电致伸缩的正 向和反向特性而制成 MPT 具有效率高﹑体积小﹑厚度薄﹑无电磁干扰 ﹑重量轻﹑升压比高等优点，应用和市场需求大 目前这种变压器功率还不大，适用于电压较高而 电流较小的应用场合，如照明灯具的起辉装置
单个SiC SBD，1200V/25A 如：Infineon公司 GREE公司
零反向恢复特性 零正向恢复特性 导通压降为正温度系数 ，并联方便 工作结温高
SiC MOSFET
电力电子器件的发展
SiC的研究滞后于GaAs，因为SiC晶体的制造难度 太大，当温度大于 2000℃时， SiC 尚未熔化，但 到了2400℃时SiC已升华变成气体了 利用升华法直接从气体状态生长晶体，目前还需 进一步改善SiC的接触特性和制造工艺，这些问题 预计在5～10年内得到解决
电力电子器件发展 √ √ 现代电力电子技术应用 开关电源技术发展
GCT截面结构示意图 IGCT的外观以及GCT的结构
电力电子与关键科技
能源：能源的产生、传输、变换等环节 环保：储能同题、能量转换问题、能量输配的问 题、避免污染的装置等都与电力电子有很大关系 信息与通信：这是过去10年中发展最快的产业， 通信电源、手机电源、充电器、计算机电源等 生命科学：很多医学工程上都用到电力电子，如 人工心脏关键部分就有一个开关电源 工业生产；生产自动化主要靠电力电子来工作 交通：在航天、航空、地铁、电动汽车等方面
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新的器件材料：SiC
肖特基SiC
100000
材料特征指标（BFM）
10000 1000

3 2 BFM n Ec 4 VBD / Ron VBD: 阻断电压 Ron: 导通电阻
27130
: 电介质常熟
n : 电子迁移率
Ec：最大电场强度 140 100 16 10 1 1 Si GaAs 3C-SiC 6H-SiC 4H-SiC 38 236
电力电子器件的发展
以MOSFET为例： 根据场效应晶体管单极性结构，必然具有较快的 开关速度，从而带动了高频电力电子技术的发展 从其电压控制模式，理解到它很容易和微电子器 件接口，功率集成电路就此应运而生，使MOS器 件的控制方式大为丰富并简化 MOS晶体管具有最低阻抗的整流器件，采用了同 步整流技术，符合电脑发展的超低电压发展需求
12-48V输入/1.2V（5A）输出降压转换 器应用对比 基于eGaN FET的系统尺寸小34 %
IR公司GaN应用对比
IR公司的350W PFC变换器对比 采用了传统硅基器件和600V GaN器件 进行对比，布版尺寸就减小了2.6倍！
210mm2
采用GaN和Mosfet的DEMO板尺寸对比
现代电力电子应用
“绿色地球数字护航计划”的能效基准，初期将遵循 美国环境保护署能源之星的指导原则，但在今后 几年内将增加新的要求 例如，2007年能源之星的标准要求PC供电至少要 满足80%的节能功效，该计划则要求到2010年PC 电源至少达到90%，服务器电源达92% 2010年降低50%的电脑耗电量，這相当于省下55 亿美元的能源成本，以及每年減少 5400 万吨温室 气体排放
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基于 Sic 材料的器件研究进 基于 Sic 材料的器件研究进 展迅速，优势： 展迅速，优势： Sic 的耐压强度是 Si 的十倍 Sic 的耐压强度是 Si 的十倍 Sic 的饱和速率是 Si 的二倍 Sic 的饱和速率是 Si 的二倍
GaN
金刚石
Sic 的导热性是 Si 的三倍 Sic 的导热性是 Si 的三倍
电力 旋转 置 静止 装 装置
• 电力电子学 (Power Electronics)名称60年代出现；
电 子
器 件
电
路
南京航空航天大学 陈 新
• 1974年，美国的W. Newell 用图1的倒三角形对电力电子学 进行了描述，被全世界普遍接 受；
电力 电子学 模拟
数字
控制
电源应用的本质
根本目的：为了更好地使用电能（节能） 根本手段：采用电力电子技术是使用功率 半导体器件对电能进行变换 具体方法：包括电压、电流、频率和波形 等方面的交换， 通过电能变换，以达到使电能更好地符合 各种不同用电设备的要求。它以实现“高效 率用电和高品质用电”为目标，
现在发达国家电能的75%要经过电力电子变换或 控制后使用，预计21世纪将达到95%以上 目前我国经过变换使用的电能仅占30%，远远达 不到应用电力电子技术才能实现的效果 到2010年末，我国发电装机总容量将达到8.52亿 千瓦，到2010年我国将有2.6亿千瓦电能需要电力 电子变换或控制，电力电子技术在国内发展的潜 力十分巨大
电力电子技术与其他学科关系
电力电子技术是电力、电子、控制三大工程技术领域之间的交叉 学科。 随着科学技术的发展, 电力电子技术与现代控制理论、材料科学、 电子技术、电力系统、计算机科学等许多领域密切相关。 目前, 电力电子技术已逐渐发展成为一门多学科互相渗透的综合 性技术学科。
电力电子发展概述