1、电力电子大作业第一章综述1、电力电子器件电力电子器件又称作开关器件，相当于信号电路中的AD采样，称之为功率采样。在直接用于处理电能的主电路中，实现电能变换和控制的电子器件称为电力电子器件。目前的电力电子器件主要指的是电力半导体器件。1.1电力电子器件的一般特征：(1)处理电功率的能力大；(2)工作在开关状态；(3)需要由信息电子电路来控制：(4)需要安装散热器；1.2按器件被控程度分类(1)不可控器件。这类器件一般为两端器件，一端是阳极，另一端是阴极j与电子电路中的二极管一样，具有单向导电性。这类器件就是功率二极管。(2)半控型器件。这类器件是三端器件，除阳极和阴极外，还增加了一个控制门极。这
2、类半控型器件是指晶闸管及其大部分派生器件。目前，国内生产的电力电子器件仍以晶阐管为主。(3)全控型器件。这类器件也是带有控制端的三端器件，其控制端不仅可以控其开通，还能控制其关断。目前常用的是功率MOSFET和GBT。1.3按控制信号的性质分类(1)电流驱动型器件。驱动信号加在器件控制端和公共端之间，通过从控制端注入或抽出电流来实现器件的导通或者关断的控制，这类电力电子器件称为电流驱动型器件或称为电流控制型器件。(2)电压驱动型器件。通过施加在控制端和公共端之间的电压信号来实现器件的导通或者关断的控制，这类电力电子器件称为电压驱动型器件或称为电压控制型器件。1.4电力电子器件的发展历程第一阶段
3、是以整流管、晶闸管为代表的发展阶段。这一阶段的电力电子器件在低频、大功率变流领域中的应用占有优势，取代了早先的汞弧整流器。代表者便是美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，功率二极管开始应用于电力领域。第二阶段是20世纪70年代后期以GTO、GTR和功率MOSFET等全控型器件为代表的发展阶段。这一阶段的电力电子器件开关速度高于晶闸管，它们的应用使变流器的高频化得以实现。第三阶段是20世纪80年代后期以IGBT复合型器件为代表的发展阶段。IGBT是功率MOSFET和GTR的复合。IGBT的优越性能使之成为电力电子器件应用技术的主导器件。第四阶段是以PIC、HVIC等功率集成电路为代表的发展阶段。高速
4、、全控型、大电流、集成化和多功能的电力电子器件先后问世，开创了现代电力电子集成器件的新阶段。2、电力电子器件的最新发展现代电力电子器件仍然在向大功率、易驱动和高频化方向发展。电力电子模块化是其向高功率密度发展的重要一步。当前电力电子器件的主要发展成果如下：1IGBT：绝缘栅双极晶体管IGBT(InsulatedGateBipolar-Transistor)是一种沟道增强型场控(电压)复合器件。它属于少子器件类，兼有功率MOSFET和双极性器件的优点。目前研制出的高功率沟槽栅结构IGBT是高耐压大电流IGBT器件通常采用的结构，这种平板压接结构模块将在高压、大功率变流器中获得广泛应用。2 MCT
5、：MOS控制晶闸管MCT(MOS-ControlllThyIistor)是一种新型MOS与双极复合型器件。它采用集成电路工艺，在普通晶闸管结构中制作大量MOS器件，通过MOS器件的通断来控制晶闸管的导通与关断。MCT被认为是很有发展前途的新型功率器件。3 IGCT：集成门板换流晶闸管IGCT(IntergratedGate Commutated11Iyristo哟是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。IGCT使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃，有很好的应用前景。4IEGT：电子注入增强栅晶体管IEG
6、T(InjecdonEnhanced GateTransistor)是耐压达4KV以上的IGBT系列电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使大容量电力电子器件取每导了飞跃性的发展。另外，通过模块封装方式还可提供众多派生产品，在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。5IPEM：集成电力电子模块IPEM(IntergramdPower ElaetroniesModules)是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。IPEM实现了电力电子技术的智能化和模块化，大大降低了电路接线电感、系统噪声和寄生振荡，提高了系统效率及可靠性。6PEBB：电力电子积木PEBB(PowerElectric
7、BllildillgBlock)：是在IPEM的基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。一个系统中PEBB的数量可以从一个到任何多个。多个PEBB模块一起工作可以完成电压转换、能量的储存和转换、阴抗匹配等系统级功能。PEBB最重要的特点就是其通用性。7基于新型材料的电力电子器件SiC(碳化硅)是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，可制作出性能更加优异的高温(300一500)、高频、高功率、高速度、抗辐射器件。SiC高功率、高压器件对于公电输运和电动汽车等设备的节能具有重要意义。SiC器件的研发将成为未来的个主要趋势。但在SiC材料和功率器件的机理、理论和制造工艺等方面，还有大量问题有待解决，
8、SiC要真正引领电力电子技术领域的又一次革命，估计至少还要十几年的时间。电力电子器件正进入以新型器件为主的新时代，作为电力电子技术发展的决定性因素，电力电子器件的研发及关键技术突破，必然会促进电力电子技术的迅速发展，进而促进以电力电子技术为基础的传统工业和高新技术产业的迅速发展。电力电子技术将在本世纪为建设一个节能、环保、和谐的社会发挥重要作用。第二章国内外主要厂商电力电子器件的最新进展英飞凌2014年6月16日德国纽必堡讯英飞凌科技股份公司（FSE代码：IFX / OTCQX代码：IFNNY）推出第五代1200V thinQ!碳化硅肖特基二极管，进一步扩展了碳化硅产品阵容。新 的1200V碳
9、化硅二极管在工作温度范围内提供超低正向电压，其浪涌电流承受能力提高了一倍以上，并且具备卓越的散热性能。得益于这些特性，该产品可以在太阳能逆变器、不间断电源（UPS）、三相SMPS（ 开关电源）和电机驱动等应用中大大提高效率，并且可靠运行。“第五代”碳化硅二极管采用了新的紧凑式芯片设计，将PN结设计融合到肖特基二极管单元场中。这种设计降低了芯片区的微分电阻。因此，二极管损耗比之上一代产品降低了多达30%，譬如在20 kHz频率上以满负荷工作的三相太阳能逆变器的前端升压级中。结温为150C时，典型正向电压仅为1.7V，这比上一代产品降低了30%。这个值也是当前市场上的1200V碳化硅二极管中最低的
10、正向电压值。因此，这 款新的碳化硅二极管特别适用于以相对较高负荷工作的应用，如不间断电源系统。此外，即使工作在较低开关频率下，也能提高系统效率。取决于二极管电流等级，它可实现最高14倍于标称电流的浪涌电流承受能力，这保证了二极管在应用发生浪涌电流时实现可靠运行。这样便无需使用旁路二极管，从而降低了复杂度，减少了系统成本。英飞凌IGBT和碳化硅分立功率器件营销总监Roland Stele表示：“英飞凌致力于提供有助于客户最大限度提高其设计效率的产品，新的第五代碳化硅二极管实现了这一目标。由于降低了二极管损耗，该 产品适用于范围更广的开关频率，同时，它具备更强的浪涌电流承受能力，可实现更高可靠性。
11、最新一代英飞凌碳化硅肖特基二极管是朝着充分挖掘碳化硅材料潜力迈出的一大步。”在升压拓扑和功率因素校正（PFC）升压拓扑中结合新的1200V thinQ!碳化硅肖特基二极管和英飞凌出类拔萃的1200V Highspeed3 IGBT能够全面提升系统性能。相 比于采用传统硅二极管的解决方案，通过降低导通损耗（这允许使用更小尺寸的散热片或提高效率）和降低EMI（更小巧的更高性价比的EMI滤波器），不仅降低了二极管损耗，而且改善了Highspeed3 IGBT的性能。2014年5月15日德国纽必堡讯英飞凌科技股份公司今日推出全新的CoolMOS TM MOSFET无管脚SMD（表面贴装）封装：Thin
12、PAK 5x6。移动设备充电器、超高清电视和LED灯具都必须满足许多相互矛盾的要求。消费者希望买到外形小巧但性能优越的产品。因此，制造商需要结构紧凑、散热良好和经济高效的半导体解决方案。而 这些空间限制可以通过缩减板载组件的尺寸和重量加以解决。据Strategy Analytics 2014年预测，全球智能手机市场在2013-2018年间预计每年将增长9.4%。对于充电器而言，更小、更快、更高效的解决方案已成为一个明显趋势。ThinPAK 5x6封装的高度只有1mm、占板面积5mm x 6 mm，体积相比传统SMD封装（如DPAK）缩小80%。这样，制 造商就能灵活地设计更小巧的充电器。Thi
13、nPAK封装的寄生参数非常低譬如源极电感比传统DPAK封装小，可以降低所有负载条件下的栅极振荡，并使MOSFET开关时电压过冲比传统SMD封装降低40%， 这 可以改进设备和系统的稳定性与易用性。ThinPAK 5x6封装为工程师的PCB设计提供了更多灵活性和更好的开关性能，这不仅可以使功率转换更高效，还能缩小低功率适配器、灯具和超薄平板电视等应用的总体系统尺寸。在 此之前发布的是ThinPAK 8x8封装，该封装在服务器和电信SMPS等高功率应用市场反响强烈。2014年5月15日英飞凌科技股份公司全新推出一款单片集成逆导二极管的650V器件，再次扩展其最新一代逆导软开关IGBT（绝缘栅双极晶
14、体管）产品线。英飞凌的RC-H5 系列产品性能卓越，而 新推出的这款器件更将显著扩大RC-H5系列产品的应用范围。全新的分立式RC-H5 650V电源半导体是多炉盘电磁炉和带逆变器微波炉的绝佳之选，也是各类硬开关半桥配置拓扑结构的最佳选择。新推出的分立式RC-H5 650V电源半导体与所有的RC-H5产品一样，比前一代产品更加高效节能，可进一步降低30%的开关损耗，使设计人员将能够使用的IGBT工作频率提高到40KHz。总而言之， 这款全新设计的分立式电源半导体节能性能更出色，可使系统整体减少5%的能源消耗。基于RC-H5 650V的系统不仅节能性能出色，而且由于阻断电压增大，使系统设计更具优
15、势，从而大幅提升系统可靠性。650V逆导系列器件品质非凡，既有适合快速开关应用的器件，又 有符合软开关设计的器件，不仅在使用上更具灵活性，还能减少系统整体受到的限制。这款新器件具有更好的EMI特性，所需滤波电路更少，对各类的开关设计都有极大的好处。它还可优化热性能，在175C的最高结温（ 芯片正常工作的环境温度）下进行无故障操作。英飞凌科技股份有限公司IGBT分立器件营销总监Roland Stele指出：“在所有家用电器中，电磁炉最具有极大潜力，可为人们节省更多能源消耗，为保护地球环境做出贡献。凭 借新推出的分立式RC-H5 650V器件，英飞凌将为家用电器提供更丰富的产品，促使我们的客户研发
16、出更可靠更节能的系统。”2014年2月24日德国纽必堡英飞凌科技股份有限公司（FSE：IFX / OTCQX：IFNNY）宣布了单片集成逆导二极管的20A 1350V器件，再次扩充逆导 (RC) 软开关 IGBT（绝缘栅双极型晶体管） 产品组合。新 的20A RC-H5 是对英飞凌 性能领先的RC-H 系列的扩展，重点关注感应加热应用的系统效率和高可靠性要求。 与前几代产品相比，RC-H5 的开关损耗降低高达 30%，使设计人员能够使用IGBT的工作频率高达 30KHz 。因此，配备 RC-H5 的系统效率提高 0.5%，使系统整体效率超过 92%。还可采用更小的电感元件来降低整体系统成本。R
17、C-H5是基于现有广泛使用RC-H3 的重大技术突破。 RC-H5 减少功率损耗，具有更加出色的热性能，最高结温达 175 。此外，导通尖峰电流降低 10%，从而减少系统中无源元件的压力，使得可靠性进一步提高。另一优势是EMI也有所改善，设 计人员可藉此减少滤波需求并降低系统成本。 “英飞凌凭借最新一代RC-H5巩固其 IGBT 技术领导地位，满足感应加热应用的严格要求”英飞凌科技股份有限公司 IGBT 分立器件总监 Roland Stele 说道。“ 我们为客户提供专用功率开关，再次提高系统效率和可靠性。实现这一目标的基础是英飞凌深厚的技术知识和对家电应用的系统理解。” 2013年6月3日2
18、013年6月4日, 德国纽必堡讯英飞凌科技股份公司（FSE: IFX / OTCQX: IFNNY）今日推出一系列可为移动电子系统提供一流静电释放（ESD）保护的瞬态电压抑制（TVS）器 件。ESD102 TVS二极管和阵列器件具备非常低的动态电阻（Rdyn = 0.19）和超低电容（C = 0.4pF），可 使工程师满足新一代智能手机和平板电脑高速接口在设计强健性和信号质量方面的严格要求。 集成电路（IC）微型化发展促进了电子设备性能的改进，但同时也为工程师提出了更大挑战，要求实现系统短路保护，以防导致出错，甚至造成系统故障。英飞凌推出了多种TVS二极管和阵列，用 于最大限度降低各类计算和通
19、信系统应用的短路风险。 ESD102系列 TVS二极管适用于便携式电子设备的USB 3.0、GBit Ethernet、Firewire 和 HDMI 链路等高速数据接口。这 些数据线需要以最小的封装尺寸和十分出色的功率规格实现良好保护。全新系列器件采用2引脚（单线）、 4引脚（用于双线阵列）或5引脚（用于4线阵列）封装，高于IEC61000-4-2标准的相关规范要求。其 漏电流不高于50nA，有助于延长系统电池寿命。 2013年5月6日2013年5月6日，德国纽必堡讯英飞凌科技股份公司（FSE代码: IFX / OTCQX代码: IFNNY）进一步壮大其高压产品组合，推 出采用全新650V超
20、结MOSFET技术的CoolMOSTM C7。全新的C7产品家族针对所有标准封装实现了出类拔萃一流的通态电阻RDS(on)，另外，得益于低开关损耗，还 可在任何负载条件下实现能效改进。C7适用于连续导通模式功率因数校正（CCM PFC）、双管正激（TTF）和太阳能升压拓扑等硬开关拓扑。典型应用包括太阳能、服务器、电信设备和UPS（不间断电源）。6 50V击穿电压还使C7适用于需要额外安全裕度的应用。 “C7延续了高品质超结CoolMOS技术12年创新发展之路，进一步巩固了英飞凌在高端功率转换领域的领导地位。”英飞凌高压功率转换产品负责人Jan-Willem Rey-naerts指出，“ 凭借C
21、oolMOS C7一流的优值系数品质因数（RDS(on)*EOSS），我们的客户可以设计出前所未有的具有更高功率密度和效率的新一代功率转换系统。” C7提供具备19mW全球最低通态电阻的TO-247封装，另外，还提供通态电阻为45 mW的TO-220 和 D2PAK封装。C7系列提供全球最低导通电阻，TO247封装可以到19m，T O220和D2PAK可以到45m。如今，C7的快速开关性能可使客户服务器PFC级首次实现100 kHz以上的开关频率，同时达到钛级能效。这可降低对无源组件的空间要求，从而提高功率密度。 此外，降低的输出电容（Eoss）以及低栅极电荷（Qg）还提高了轻载条件下的能效。
22、将性能一流的C7与英飞凌全新的碳化硅（SiC）thinQ! 第五代肖特基二极管系列和ICE2 / ICE3控制IC结合在一起，可设计出性能无与伦比的CCM PFC电路。 2012年11月12日，德国纽必堡讯英飞凌科技股份公司（FSE: IFX / OTCQX: IFNNY)）发布了采用TRENCHSTOP 5技术的新一代薄晶圆IGBT（绝缘栅双极晶体管）。 与当前领先的解决方案相比，该产品大大降低了导通和开关损耗。凭借这一重大突破，英飞凌在IGBT性能方面设定了新基准，并继续在要求持续提升效率的市场占据领先位置。 由于击穿电压增加到650V，该全新技术为设计带来了更高的安全裕度。目标拓扑为光伏
23、逆变器、不间断电源（UPS）和逆变焊机等应用中常见的升压PFC（AC/DC）级和高压DC/DC拓扑。 TRENCHSTOP 5为两个产品系列奠定了基础。HighSpeed 5（H5）是易用型软开关高速IGBT，用于即插即用取代现有的IGBT，因为其可轻松融入产品设计之中。H ighSpeed 5 FAST（F5）是迄今为止最高效的IGBT，譬如，采用“H4 bridge”拓扑的光伏逆变器的系统效率达到了98%以上。 “TRENCHSTOP 5在IGBT性能方面带来了飞跃，以更高的系统效率和更高的击穿电压，提升了可靠性。这会导致整个平台的系统成本降低。对 于那些要求在一个解决方案中具备所有这些特
24、性的客户而言，TRENCHSTOP 5是唯一选择。”英飞凌公司IGBT功率分立式器件营销主管Roland Stele表示。 全新的TRENCHSTOP 5技术为众多目标应用带来了巨大益处。与当今最好的来自英飞凌的HighSpeed（H3）相比，传导损耗降低了超过10%，总开关损耗降低了超过60%。效 率的大幅度提升使得可实现更低的工作结温，确保更高的寿命周期可靠性，或实现更高功率密度的设计。譬如，应用测试已经证明采用TO-220封装的TRENCHSTOP 5比采用TO-247封装的H3的外壳温度低15%。 其他重大改进包括饱和电压（Vce(sat)）正温度系数和关断开关损耗（Eoff），确保性
25、能在高温操作期间不降低，并可直接进行并联。与H3相比降低60%的栅电荷（Qg）使 得IGBT能以更低成本进行更轻松驱动。此外，TRENCHSTOP 5具有快速恢复续流二极管的温度稳定正向压降（VF），且反向恢复时间（Trr）不到50ns。低输出电容（Coss和Eoss）带 来了杰出的轻载效率，是工作范围主要在最大额定值40%以下的设计的理想之选。 IGBT模块：IGBT堆栈和IGBT组件ModSTACK 系列包括英飞凌的IGBT模块和IGBT驱动器，在690V 交流输入电压下可实现100A到1,800A的电流等级。系统提供相应的控制电路接口及相应的热量管理单元。所有逆变器拓扑结构（B6U+B6
26、I、B6I+B6I等）以及各种电力变换器拓扑都有供应。基于62毫米IGBT模块的PrimeSTACK是一个面向功率电子电路的硬件平台，包括电流、电压和温度测量需要的所有组件。对于“安全隔离”而言，控制电子元件与功率电子元件分段相互独立。具 备高级显示功能的PrimeSTACK 拥有自我保护开关。有了PrimeSTACK，设计师可以快速开发出高效、安全的逆变器。该产品系列在600 V、1200 V或1700 V电压条件下，芯 片电流等级为100 A 至3600 A。IGBT 裸片TRENCHSTOP IGBT将独特的沟槽和场截止技术结合在一起，树立了行业新标杆。 产品组合包括几种不同型号的器件，
27、电压范围为600V至1700V。这些器件经过优化，适用于广泛的应用，例如驱动装置、新能源装置、焊接装置和电源等。公司300-12000A 及2008500 v 的电力半导体 传统与现代工艺相结合的多种电力半导体能满足牵引业，工业及能源传动节业。 这种产品主要包括 GTO, IGBT, IGCT, 晶闸管及二极管。其在30012000A及2008500 V的电力下优良好表现。赛米控新的1700V模块采用三相全桥和整流逆变制动电路拓扑结构，有利于开发具有成本效益且结构紧凑、输出电流高达100A的逆变器德国纽伦堡， 2014年5月20日 对用户友好的电源和控制端子弹簧技术和简单、具有成本效益且 无焊
28、接单螺丝安装的PCB、散热器及模块 - 这些都是电力电子制造商赛米控所生产的MiniSKiiP系列 产品的主要优势。MiniSKiiP主要用于工业电机驱动器、太阳能逆变器和电源。除了已有的 600V/650V和1200V MiniSKiiP功率模块， 现在又有了采用三相全桥和整流逆变制动（CIB） 电路拓扑结构的1700V模块。在过程工业中，从400V/480V交流电转变为600V/690V交流电在工业应用中正变得越来越流行，即使是低功率应用中。这种转变带来了与资金成本节约和提高全球网络效率相关的几个优势。电机尺寸、电缆截面、最大负载电流、总功率损失、正常工作条件下电缆的压降、电机启动电流和馈
29、电变压器尺寸的减小或减少使得成本得以节省。赛米控完善的1700V MiniSKiiP组合由三相全桥和相应的电流高达100A的输入桥模块和电流高达50A 的CIB模块组成 。最高的电流密度有助于开发具有成本效益且结构紧凑的变频器，以实现600V/690V AC应用的所有优点，从而节省成本。所有CIB模块都有用于输入桥、制动斩波器和发射极开路逆变器的独立端子，带来最高级别的PCB设计灵活性，每个单个模块可以覆盖整个三相应用。MiniSKiiP系列新增的IGBT半桥模块输出电流高达180ARMS，有助于减少高达15%的系统成本德国纽伦堡， 2014年5月20日 用户友好的弹簧技术用于电源和控制端子以
30、及简单、具有成本效益 且无焊接单螺丝安装的电路板、散热器及模块 - 这些都是电力电子制造商赛米控所生产的MiniSKiiP系 列产品的主要优势。MiniSKiiP主要用于工业电机驱动器、太阳能逆变器和电源。除了原先最高40kW的功率，现在有了功率高达90kW的MiniSKiiP。新的MiniSKiiPDual组合包括150A-600A/650V、150A-300A/1200V和100A-300A/1700V 。这是首次MiniSKiiP弹簧技术可用于40kW以上的额定功率。优点如下：相比传统的逆变器设计，由于负载连接的昂贵母排可被具有成本效益的印刷电路板连接所取代，因而减少了材料成本。结合快速
31、、无焊接装配，可减少高达15%的系统成本。弹簧触点使得印刷电路板（PCB）的布局简单且更加灵活，因为PCB不需要用于焊接引脚的过孔了。此外，相比焊接连接，弹簧可以使得PCB与模块之间的连接更加灵活，特别是在热和机械应力条件下会更有益。MiniSKiiP Dual高达90kW的输出需要PCB具有更高的电流承载能力，这一点可以通过诸如在PCB上 105m厚的金属涂层来实现。这样允许负载电流高达180ARMS，这用于为带螺丝安装母排的模块预 留。富士电机北车高压IGBT模块东芝东京东芝公司（TOKYO：6502）旗下的半导体&存储产品公司今天宣布，该公司将通过添加TO-220F-2L绝缘封装产品扩大
32、其650V碳化硅（SiC）肖特基势垒二极管（SBD）系列产品。四款新产品将扩大现有TO-220-2L封装产品的6A、8A、10A和12A阵容。量产出货即日启动。SBD适合各种应用，包括光伏发电系统用的服务器电源和功率调节器。此外，它还可作为开关电源中的硅二极管的替换件，能够将效率提升50%（东芝调查）。SiC功率器件提供比当前硅器件更加稳定的运行，即便是在高电压和高电流下也是如此，因为它们在运行时能够大幅减少散热。它们符合对体积更小、效率更高的通讯设备的各种行业需求，同时适用于从服务器到逆变器的各种行业应用。新产品的主要规格产品型号反向重复峰值电压VRRM中频IF反馈电压VF（V）反向重复峰值电流IRRM（A）封装（V）（A）典型值/最大值典型值/最大值TRS6A65C65061.5/1.70.
