功率器件的开发应用与实例图解

本帖最后由 lfengj 于 2012-5-13 17:40 编辑

随着全球能源的日趋紧张，节能节电迫在眉睫。电能转换是节能节电的重要环节。在电能转换过程中，转换期间的能量损失是影响节能节电的重要因素，始终成为人们关注的焦点。硅功率半导体器件经历了由双极晶体管、晶闸管，到功率MOSFET及当今倍受青睐的绝缘栅场效应管（IGBT)的发展过程，它使电力电子节能节电取得了很大的进步。这次技术宅拯救世界重点为大家探索SIC在新能源领域中的应用。


一、SiC功率元件拥有其独特的优势。
对于SiC来说，它是具有成本效益的大功率高温半导体器件是应用于微电子技术的基本元件。SiC是宽带隙半导体材料，与Si相比，它在应用中具有诸多优势。由于具有较宽的带隙，SiC器件的工作温度可高达 600℃，而Si器件的最高工作温度局限在175℃。SiC器件的高温工作能力降低了对系统热预算的要求。此外，SiC器件还具有较高的热导率、高击穿电场强度、高饱和漂移速率、高热稳定性和化学惰性，其击穿电场强度比同类Si器件要高。可以说随着技术的发展，SiC的发展前景是十分明朗的！



二、功率元件SiC器件的应用现状
随着现代电力电子技术的高频大功率化的发展，开关器件在应用中潜在的问题越来越凸出，开关过程引起的电压、电流过冲，影响到了逆变器的工作效率和工作可靠性。为解决以上问题，过电流保护、散热及减少线路电感等措施被积极采用，缓冲电路和软开关技术也得到了广泛的研究，取得了迅速的进展。利用功率元件能够很好地解决上述的问题。

例如知名网站技术宅拯救世界（http://www.技术宅拯救世界.com/）上面的例子，绝缘栅双极性晶体管igbt是一种新型的电力电子器件，它综合了gtr和 mosfet的优点，控制方便、开关速度快、工作频率高、安全工作区大。随着电压、电流等级的不断提高，igbt成为了大功率开关电源、变频调速和有源滤波器等装置的理想功率开关器件，在电力电子装置中得到非常广泛的应用。

                            元件知识库 （http://技术宅拯救世界/public/baike）供图
SiC 器件在高温、高频、大功率、高电压光电子及抗辐照等方面具有巨大的应用潜力。
1 SiC器件在高温环境中的应用
在航空航天和汽车设备中，电子器件经常要在高温下工作，如飞机发动机、汽车发动机、在太阳附近执行任务的航天器以及卫星中的高温设备等。使用通常的Si或者 GaAs器件，因为它们不能在很高的温度下工作，所以必须把这些器件放在低温环境中，这里有两种处理方法：一种是把这些器件放在远离高温的地方，然后通过引线和连接器将它们和所需控制的设备连接起来；另一种是把这些器件放在冷却盒中，然后放在高温环境下。很明显，这两种方法都会增加额外的设备，增加了系统的质量，减小了系统可用的空间，使得系统的可靠性变差。如果直接使用可以在高温下工作的器件，将可以消除这些问题。SIC器件可以直接工作在3M—枷Y，而不用对高温环境进行冷却处理。
2 SiC器件的微波应用
SiC器件除了可以在高温下工作以外，还具有很多优良的微波特性。
关键的航空无线电设备依赖于前端射频接收器探测和放大有用信号以及过滤干扰信号的能力。随着无线电波频谱越来越拥挤，由射频干涉引起的导航和定位航空设备发生故障对飞行安全的威胁越来越大。使用SiC半导体器件将会大大增强射频接收器电路的抗干扰能力。与Si混频器相比，SiC混频器成功地将Si接收器电路中的射频干扰减弱到原来的十分之一。

3 SiC智能功率器件在电力系统中的应用
先进的SiC功率电子器件能够提高公用电力系统的效率和可靠性。当前，任一时刻所需提供的电能应该比实际消耗的电能多大约20％。这些过剩的电力储存为的是确保电力服务能够稳定和可靠。以免受到日常负载变化和局部故障的影响。将智能功率器件和电源阵列结合起来能大大地降低所必需的电能存储余量，因为这些电路能够探测并立即补偿局部电脉冲。电能存储余量至少可以减少5％，这将大大节约能源。相同的智能功率技术也可以把现有辐电线所能传送的电能提高大约50％。本博文整理自西部电路保护与电磁兼容技术研讨会《功率元器件、模块的开发现状》，更详细的内容请浏览：http://技术宅拯救世界/public/whitepaper/download?id=705

三、温度对功率MOSFET传输特征影响
MOSFET 在开通的过程中，RDS(ON)从负温度系数区域向正温度系数区域转化；在其关断的过程中，RDS(ON)从正温度系数区域向负温度系数区域过渡。 MOSFET串联等效的栅极和源极电阻的分压作用和栅极电容的影响，造成晶胞单元的VGS的电压不一致，从而导致各个晶胞单元电流不一致，在开通和关断的过程中形成局部过热损坏。快速开通和关断MOSFET，可以减小局部能量的聚集，防止晶胞单元局部的过热而损坏。开通速度太慢，距离栅极管脚较近的区域局部容易产生局部过热损坏，关断速度太慢，距离栅极管脚较远的区域容易产生局部过热损坏。


四、SiC功率元件的典型事例
SiC功率模组在开关损耗与浪涌电压上均有应用，他与常见的Si IGBT模组比较，最大可减少92%的开关损耗。如下图可视，我们根据曲线的情况可以发现出SiC功率模组在应用时的独特应用方式。



下图是由 消费电子展 （ http://www.xfdzz.net ）提供的功率模组的一个典型应用示例-内置模组的马达。我们知道现有系统的马达是和功率控制装置分离的，就正如图片所示的逆变器等功率控制装置跟马达的连接，它们会出现的问题是损耗大、体积大、噪音大。甚至这个功率控制装置承受不了马达的高温，体积难以做到精细。但当我们采用把模组内置于马达时，它能在高温下工作、体积也可以做到很少。小型、低功耗和低噪声就是将来的发展方向和重点。



五、总结
通过上面的实例，我们对SiC功率元件有了一定程度的认识。由于 SiC功率元件在过去几年得到了飞速的发展，目前SiC因片的体生长和外延生长技术已经可以得到应用于商业生产的SiC圆片通过改进和优化器件与电路的设计去发挥SiC材料的超强性能，随着SiC材料生长、器件制造技术的不断成熟，会有越来越多的SiC电子产品进入应用领域。





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第七届新型节能设计技术研讨会(成都)

第八届新型节能设计技术研讨会(西安)


第九届电路保护与电磁兼容技术研讨会（西安）


第八届电路保护与电磁兼容技术研讨会（成都）