摘要：針對(duì)電力電子器件熱管理始終難以解決的問(wèn)題，需采用科學(xué)合理的管理方法改變熱設(shè)計(jì)，以提升熱設(shè)計(jì)的可靠性。具體地，分析電力電子器件熱失效故障以及措施，詳細(xì)探討電力電子器件熱失效的過(guò)程，重視設(shè)計(jì)評(píng)審的重要性，從而使電力電子器件中的熱失效能夠達(dá)到良好的防范效果。

關(guān)鍵詞：電力電子器件；熱管理；熱失效

電子器件由于受到熱應(yīng)力積累效應(yīng)、其他化學(xué)反應(yīng)等影響易導(dǎo)致器件失效，其中造成電子器件失效的主要原因是溫度過(guò)高。通過(guò)對(duì)電力電子器件的科學(xué)管理，在故障發(fā)生前管理防范對(duì)任務(wù)有影響的模式，從而有效提升電力電子器件的熱可靠性能。

1電力電子器件熱故障管理及措施

1.1熱故障機(jī)理與現(xiàn)狀。要科學(xué)合理得進(jìn)行熱故障管理，需要分析熱功能原理，并在分析過(guò)程中找出產(chǎn)生熱失效的原因和導(dǎo)致的嚴(yán)重后果。電力電子器件無(wú)論是靜態(tài)休息還是動(dòng)態(tài)運(yùn)行中都存在能量損耗情況，導(dǎo)致該零件的熱量與其他部位的芯片零件產(chǎn)生一定的溫度差，從而使溫度差轉(zhuǎn)化成熱量。這種熱量通常以輻射或者傳導(dǎo)的方式進(jìn)行傳遞。因?yàn)樵S多熱故障都是隱形故障，所以在失效調(diào)查時(shí)很難發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生此種現(xiàn)象的主要原因是間歇性失效。由于不能查找出具體原因，所以出現(xiàn)故障時(shí)不能及時(shí)進(jìn)行維修，即便重新安裝也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而可能引發(fā)一系列問(wèn)題，并因找不出故障的具體原因而付出高昂的反復(fù)維修費(fèi)用[1]。1.2熱失效與溫度的關(guān)系。運(yùn)行過(guò)程中，器件溫度過(guò)高與失效率呈指數(shù)形式不斷增長(zhǎng)，而這種增長(zhǎng)形式只是一種較為相近的關(guān)系。除了器件高溫之外，還有其他模式造成器件不能使用。許多熱值失效對(duì)設(shè)置中的一些物理化學(xué)成分造成一系列結(jié)構(gòu)變化，且這種變化由于溫度的上升而不斷加劇，使其在高溫下失效。反言之，當(dāng)器件溫度同室內(nèi)溫度環(huán)境相似時(shí)，工作溫度失效率也隨之降低。這是因?yàn)槠骷诠ぷ鬟\(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中與室內(nèi)的溫度產(chǎn)生加大的溫度差時(shí)，會(huì)對(duì)化學(xué)變化速度減少不利影響，使其失效速度隨之快速下降。因?yàn)槠骷牧喜煌?，器件收縮程度不同，從而對(duì)器件的熱度有所增加。同時(shí)，這會(huì)令器件中凝結(jié)的水發(fā)生腐蝕或者短路現(xiàn)象，所以在很低的溫度下器件的失效率同樣會(huì)增加。綜合所述，工作環(huán)境是電力電子器件熱管理的主要成因[2]。1.3熱管理常用措施。在保持電力電子器件原始設(shè)計(jì)的同時(shí)，要預(yù)防器件發(fā)生任何故障，需要利用電子設(shè)備進(jìn)行熱設(shè)計(jì)管理。通過(guò)漏熱熱阻、傳導(dǎo)電阻以及輻射散熱等相關(guān)路徑防止熱致失效，提升器件的可靠性，降低經(jīng)濟(jì)損失。另外，設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)注意定型后改進(jìn)熱設(shè)計(jì)的成本要比事先熱設(shè)計(jì)的成本高。為此，要想有效改進(jìn)熱設(shè)計(jì)，應(yīng)該減少多個(gè)影響電力電子致熱的因素。

2常見(jiàn)熱失效模式管理

摘要：電力電子器件又稱(chēng)為功率半導(dǎo)體器件，主要用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路方面大功率的電子器件，其類(lèi)型非常的多樣，在各個(gè)領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用，是弱電與強(qiáng)電、信息與電子、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)完美結(jié)合的媒介。本文主要針對(duì)電力電子器件及其應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析、

關(guān)鍵詞：電力電子器件；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力電子器件裝置當(dāng)今得到了廣泛的應(yīng)用，主要涉及到交通運(yùn)輸業(yè)、先進(jìn)裝備制造業(yè)、航天航空和坦克飛機(jī)等現(xiàn)代化裝備中。得益于電子技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，全球電子產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)得到了快速的發(fā)展，給全球的經(jīng)濟(jì)、文化、軍事等各領(lǐng)域帶來(lái)了實(shí)質(zhì)性的影響。電子技術(shù)可以劃分為兩類(lèi)：一種是電子信息技術(shù)，電力電子元件在電子信息技術(shù)上的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)信息的傳送、儲(chǔ)存和控制等目的；第二種就是保證電能正常安全的進(jìn)行傳輸，同時(shí)將能源和信息有效的結(jié)合起來(lái)。在社會(huì)的不斷發(fā)展中，各行各業(yè)對(duì)于優(yōu)質(zhì)優(yōu)量的電能都是迫切需要的，而隨著一次次電力電子技術(shù)的改革，電力電子器件的應(yīng)用范圍也更加廣泛，成為了工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的重要元件。電力電子技術(shù)的發(fā)展為人類(lèi)的環(huán)保和生活都做出了重要的貢獻(xiàn)，成為了將弱電與強(qiáng)電、信息與電子、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)完美結(jié)合的媒介。所以電力電子器件的研究成為了電力電子行業(yè)的重要課題。

1.電力電子器件的應(yīng)用與發(fā)展歷程

上世紀(jì)50年代開(kāi)始，全球第一支晶閘管誕生，這就標(biāo)志著現(xiàn)代電氣傳動(dòng)中的電力電子技術(shù)登上歷史的舞臺(tái)，基于晶閘管研發(fā)的可控硅整流裝置成為了電氣傳動(dòng)行業(yè)的一次變革，開(kāi)啟了以電力電子技術(shù)控制和變換電能的變流器時(shí)代，至此電力電子技術(shù)產(chǎn)生。到70年代時(shí)晶閘管已經(jīng)研發(fā)出來(lái)可以承受高壓大電流的產(chǎn)品，這一代的半控型器材被稱(chēng)之為第一代電力電子器件。但是晶閘管的缺點(diǎn)就是不能自關(guān)斷，隨著電力電子理論和工藝的不斷進(jìn)步，隨后研發(fā)出了GTR.GTO和MOSFET等自關(guān)斷的全控型，這一類(lèi)產(chǎn)品被稱(chēng)之為第二代電力電子器件。之后出現(xiàn)了第三代電力電子器件，主要以絕緣柵雙極晶體管為代表，第三代電力電子器件具有頻率快、反映速度快和能耗較低的特點(diǎn)。在近些年的研究中，人們開(kāi)始將微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)進(jìn)行融合，從而制造出了具有多功能、智能化、高效率的全控性能集成器件。電力電子器件中使用最多，構(gòu)造簡(jiǎn)單的就是整流管，當(dāng)前整流管可以分為普通型、快恢復(fù)型和肖特基型三種。在改善電力電子性能、減少電路能源損耗和提升電流效率等方面，電力整流管發(fā)揮著重要的作用。美國(guó)通用電氣公司于1958年研發(fā)出了第一個(gè)用于工業(yè)的普通晶閘管，為今后的工藝調(diào)整和新器件的研發(fā)打下了基礎(chǔ)，隨后的十年中各式各樣的晶閘管面世，例如雙向、逆向逆導(dǎo)和非對(duì)稱(chēng)等，到現(xiàn)如今這些晶閘管還一直在被使用。為了解決晶閘管的不可自關(guān)斷問(wèn)題，美國(guó)于1964年研發(fā)了0.5kV/0.01kA的可關(guān)斷晶閘管，到今天發(fā)展成為9kV/2.5kA/0.8kHZ和6kV/6kA/1kHZ。可關(guān)斷晶閘管具有容量大和低頻率的特點(diǎn)，在大功率牽引驅(qū)動(dòng)中發(fā)揮著極大的作用。隨后到70年代，GTR產(chǎn)品成功面世，其額定值已經(jīng)達(dá)到了1.8kV/0.8kA/2kHZ和0.6kV/0.003kA/100kHZ，GTR產(chǎn)品具有極大的靈活性，有著開(kāi)關(guān)能源消耗低和時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，在中等容量和頻率電路中發(fā)揮著主要作用。而第三代的絕緣柵型雙極性晶體管，對(duì)電壓能夠進(jìn)行控制，有著輸入阻率抗性大和驅(qū)動(dòng)功率小等特點(diǎn)，有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2電力電子器件的應(yīng)用

一、電力電子器件的發(fā)展過(guò)程

上世紀(jì)50年代末晶閘管在美國(guó)問(wèn)世，標(biāo)志著電力電子技術(shù)就此誕生。第一代電力電子器件主要是可控硅整流器(SCR)，我國(guó)70年代將其列為節(jié)能技術(shù)在全國(guó)推廣。然而，SCR畢竟是一種只能控制其導(dǎo)通而不能控制關(guān)斷的半控型開(kāi)關(guān)器件，在交流傳動(dòng)和變頻電源的應(yīng)用中受到限制。70年代以后陸續(xù)發(fā)明的功率晶體管(GTR)、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管(PowerMOSFET)、絕緣柵晶體管(IGBT)、靜電感應(yīng)晶體管(SIT)和靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)等，它們的共同特點(diǎn)是既控制其導(dǎo)通，又能控制其關(guān)斷，是全控型開(kāi)關(guān)器件，由于不需要換流電路，故體積、重量較之SCR有大幅度下降。當(dāng)前，IGBT以其優(yōu)異的特性已成為主流器件，容量大的GTO也有一定地位[1][2][3]。

許多國(guó)家都在努力開(kāi)發(fā)大容量器件，國(guó)外已生產(chǎn)6000V的IGBT。IEGT(injectionenhancedgatethyristor)是一種將IGBT和GTO的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)的新型器件，已有1000A/4500V的樣品問(wèn)世。IGCT(integratedgateeommutatedthyristor)在GTO基礎(chǔ)上采用緩沖層和透明發(fā)射極，它開(kāi)通時(shí)相當(dāng)于晶閘管，關(guān)斷時(shí)相當(dāng)于晶體管，從而有效地協(xié)調(diào)了通態(tài)電壓和阻斷電壓的矛盾，工作頻率可達(dá)幾千赫茲[2][3]。瑞士ABB公司已經(jīng)推出的IGCT可達(dá)4500一6000V，3000一3500A。MCT因進(jìn)展不大而引退而IGCT的發(fā)展使其在電力電子器件的新格局中占有重要的地位。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在器件制造方面比在應(yīng)用方面有更大的差距。高功率溝柵結(jié)構(gòu)IGBT模塊、IEGT、MOS門(mén)控晶閘管、高壓砷化稼高頻整流二極管、碳化硅(SIC)等新型功率器件在國(guó)外有了最新發(fā)展?？梢韵嘈?，采用GaAs、SiC等新型半導(dǎo)體材料制成功率器件，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)“理想器件”的追求，將是21世紀(jì)電力電子器件發(fā)展的主要趨勢(shì)。

高可靠性的電力電子積木(PEBB)和集成電力電子模塊(IPEM)是近期美國(guó)電力電子技術(shù)發(fā)展新熱點(diǎn)。GTO和IGCT，IGCT和高壓IGBT等電力電子新器件之間的激烈競(jìng)爭(zhēng)，必將為21世紀(jì)世界電力電子新技術(shù)和變頻技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

二、變頻技術(shù)的發(fā)展過(guò)程

變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。電力電子器件的更新促使電力變換

摘要：眾所周知的是，電力電子這個(gè)技術(shù)對(duì)于現(xiàn)代科學(xué)和工業(yè)的發(fā)展來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，而電力電子器件的發(fā)展與完善與這門(mén)技術(shù)息息相關(guān)。所以作為電力電子技術(shù)發(fā)展的原動(dòng)力，工作人員必須要加強(qiáng)對(duì)于現(xiàn)代電力電子器件的應(yīng)用裝置和內(nèi)部系統(tǒng)的研究力度，而且要針對(duì)電力電子器件的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來(lái)的發(fā)展方向展開(kāi)深入研究。。

關(guān)鍵詞：電力電子器件；應(yīng)用；發(fā)展現(xiàn)狀

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的電力電子器件已經(jīng)得到了極為廣泛的運(yùn)用，甚至已經(jīng)滲透到了能源、環(huán)境、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域，尤其是還涉及到了現(xiàn)代化國(guó)防武器裝備等方面。由此可見(jiàn)，我國(guó)電力電子器件與電力電子技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)于社會(huì)上的很多重要領(lǐng)域都產(chǎn)生重要的影響。電力電子器件及其應(yīng)用的現(xiàn)狀和發(fā)展的研究可以幫助工作人員加深對(duì)于現(xiàn)代電子技術(shù)的了解，發(fā)揮出信息電子技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的信息傳輸、處理、存儲(chǔ)等作用。除此之外，電力電子技術(shù)也可以在很大程度上保障電能安全高效，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部資源的合理配置，為我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)提供能量和承擔(dān)執(zhí)行的功能。

1.電力電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1電力電子器件的基本概況

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的電力電子器件的發(fā)展前景越來(lái)越光明，早在上世紀(jì)，我國(guó)的電子技術(shù)就已經(jīng)逐漸發(fā)展起來(lái)。首先電子技術(shù)涉及到信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大方面的內(nèi)容，現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展促進(jìn)了信息電子技術(shù)的發(fā)展，與此同時(shí)電力電子技術(shù)也在電能的傳輸、處理、存儲(chǔ)和控制等各個(gè)方面發(fā)揮出了自身獨(dú)特的作用。對(duì)于當(dāng)今我國(guó)工業(yè)發(fā)展來(lái)說(shuō)，電力電子器件的應(yīng)用和發(fā)展是極為必要的，因?yàn)槲覈?guó)的很多工廠(chǎng)和技術(shù)設(shè)備都與電力電子器件有著密切的聯(lián)系。為了能夠在最大范圍內(nèi)加快生產(chǎn)的速度和工作的效率，對(duì)電力電子技術(shù)這種比較先進(jìn)的技術(shù)的開(kāi)發(fā)是極為必要的，這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的電力電子器件的應(yīng)用和發(fā)展已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于時(shí)代的發(fā)展速度，不適應(yīng)我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的模式。

電力電子技術(shù)是以電力電子器件為基礎(chǔ)對(duì)電能進(jìn)行控制、轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)囊婚T(mén)技術(shù)，是現(xiàn)代電子學(xué)的一個(gè)重要分支，包括電力電子器件、變流電路和控制電路三大部分，其中以電力電子器件的制造、應(yīng)用技術(shù)為最基本的技術(shù)。因此，了解電力電子器件的基本工作原理、結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)，正確安全使用電力電子器件是完成一部電力電子裝置最關(guān)鍵的一步。電力電子器件種類(lèi)繁多，各種器件具有自身的特點(diǎn)并對(duì)驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和緩沖電路有一定的要求。一個(gè)完善的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和緩沖電路是器件安全、成功使用的關(guān)鍵，也是本講座重點(diǎn)講述的部分。電力電子變換電路常用的半導(dǎo)體電力器件有快速功率二極管、大功率雙極型晶體管(GTR)、晶閘管(Thyristor或SCR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)以及功率集成電路PIC等。在這些器件中，二極管屬于不控型器件，晶閘管屬于半控型器件，其他均屬于全控型器件。SCR、GTO及GTR屬電流驅(qū)動(dòng)型器件，功率MOSFET、IGBT及PIC為電壓驅(qū)動(dòng)型器件。在直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能變換和控制的電子器件稱(chēng)為電力電子器件。電力電子器件之所以和“電力”二字相連，是因?yàn)樗饕獞?yīng)用于電氣工程和電力系統(tǒng)，其作用是根據(jù)負(fù)載的特殊要求，對(duì)市電、強(qiáng)電進(jìn)行各種形式的變換，使電氣設(shè)備得到最佳的電能供給，從而使電氣設(shè)備和電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效、安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。目前的電力電子器件主要指的是電力半導(dǎo)體器件，與普通半導(dǎo)體器件一樣，電力半導(dǎo)體器件所采用的主要材料仍然是硅。

1電力電子器件的一般特征

(1)處理電功率的能力大

(2)工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)

(3)需要由信息電子電路來(lái)控制

(4)需要安裝散熱器

摘要：電力電子技術(shù)在綠色電源技術(shù)上起著很重要的作用，現(xiàn)如今它已經(jīng)發(fā)展為電氣工程學(xué)科中一個(gè)特別關(guān)鍵的分支。近幾年，電力電子技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭不容小覷。文中描述了電力電子的定義和應(yīng)用，分析了電力電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與電力電子器件在我國(guó)的發(fā)展，對(duì)電力電子的發(fā)展提出了相關(guān)的建議。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；電源技術(shù)；電力電子產(chǎn)業(yè)

電力電子技術(shù)，就是運(yùn)用電力半導(dǎo)體器件以及電子技術(shù)對(duì)電氣設(shè)備的電功率進(jìn)行控制的一種技術(shù)。它把電力半導(dǎo)體器件、電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)與電力變換技術(shù)等多種技術(shù)相結(jié)合，是一門(mén)交叉學(xué)科。經(jīng)過(guò)幾代人孜孜不倦的努力，我國(guó)的電力電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的比較快速。自從第一個(gè)可控硅的出現(xiàn)，電力電子器件及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)持續(xù)了將近50年。電力電子器件的發(fā)展歷經(jīng)了不控器件和半控器件，電流、電壓全控器件和功率集成電路等幾個(gè)時(shí)期，器件的體積在不斷地減小，而且，功率損耗較大的開(kāi)關(guān)時(shí)間也大大降低，工作頻率大幅度的增加，而且在電力電子技術(shù)上的新突破變?yōu)閷?shí)際應(yīng)用的時(shí)間也縮短。它涉足領(lǐng)域廣泛，在電力、機(jī)械、通訊、交通等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，是如今高新技術(shù)不可或缺的一部分。

1電力電子器件的發(fā)展

由于電力電子器件不斷發(fā)展，電力電子技術(shù)也取得了較大進(jìn)步。電力電子技術(shù)的發(fā)展可分為以下幾個(gè)階段，第一階段為1950～1960年，在這一階段，半導(dǎo)體器件中重要的技術(shù)得到了完善；第二個(gè)階段從1970到1980年底，關(guān)鍵的電力電子器件包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極型晶體管、可關(guān)斷晶閘管的發(fā)展，使功率變換的要求得以實(shí)現(xiàn)；第三個(gè)階段是從1990年始一直到現(xiàn)在，電力電子技術(shù)已經(jīng)基本成熟，電壓全控型的電力電子器件與智能型集成功率模塊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了飛躍式的發(fā)展。到目前為止，電力電子器件的水平基本上穩(wěn)定在109～1010W／Hz的水平。為了超越器件的極限，可以向兩個(gè)方向發(fā)展：一是更換更新的器件構(gòu)造，二是應(yīng)用寬能帶間隙的半導(dǎo)體器件，如SiC器件和GaN器件。

2對(duì)電力電子產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的分析

目前電網(wǎng)技術(shù)正向智能化發(fā)展，碳化硅電力電子器件技術(shù)的進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化，將在高壓電力系統(tǒng)開(kāi)辟全新應(yīng)用，對(duì)電力系統(tǒng)變革產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。碳化硅電力電子器件優(yōu)異的高效、高壓、高溫和高頻特性，使其在家用電器、電機(jī)節(jié)能、電動(dòng)汽車(chē)、智能電網(wǎng)、航天航空、石油勘探、自動(dòng)化、雷達(dá)與通信等領(lǐng)域有很大應(yīng)用潛力。

一、關(guān)于碳化硅電力電子器件

1.定義電力電子器件（PowerElectronicDevice）又稱(chēng)為功率半導(dǎo)體器件，主要指用于電力設(shè)備電能變換和控制電路方面的大功率電子器件。碳化硅（SiC）電力電子器件是指采用第三代半導(dǎo)體材料SiC制造的一種寬禁帶電力電子器件，具有耐高溫、高頻、高效的特性。按照器件工作形式，SiC電力電子器件主要包括功率二極管和功率開(kāi)關(guān)管。功率二極管包括結(jié)勢(shì)壘肖特基（JBS）二極管、PiN二極管和超結(jié)二極管；功率開(kāi)關(guān)管主要包括金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管（MOSFET）、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管（JFET）、雙極型開(kāi)關(guān)管（BJT）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）和發(fā)射極可關(guān)斷晶閘管（ETO）等。2.技術(shù)優(yōu)勢(shì)與硅基電力電子器件必須采用硅單晶制造一樣，SiC電力電子器件是采用微電子工藝方法在SiC晶圓材料上加工出來(lái)的，目前常用的是4H-SiC型單晶襯底材料，以及在襯底上生長(zhǎng)出來(lái)的外延材料。是硅的三倍，臨界擊穿電場(chǎng)比硅材料高一個(gè)數(shù)量級(jí)，相同結(jié)構(gòu)下，其阻斷能力比硅器件高好多倍，相同的擊穿電壓下，SiC器件的漂移區(qū)可以更薄，可保證其擁有更小的導(dǎo)通電阻。一般硅器件最高到200℃就會(huì)因熱擊穿造成失效，而SiC具有的寬禁帶特性，保證了SiC器件可以在500℃以上高溫環(huán)境工作，且具有極好抗輻射性能。SiC電力電子器件的開(kāi)關(guān)頻率高于同結(jié)構(gòu)硅器件，可大幅降低開(kāi)關(guān)損耗，大大提高系統(tǒng)效率；在應(yīng)用于功率集成系統(tǒng)時(shí)，SiC器件無(wú)反向恢復(fù)、散熱性好的突出特點(diǎn)，可使相關(guān)電路得到優(yōu)化，從而在整體上縮減系統(tǒng)尺寸，減輕系統(tǒng)重量，節(jié)約系統(tǒng)成本。SiC電力電子器件重要系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于其高壓（達(dá)數(shù)萬(wàn)伏）、高溫（大于500℃）特性，突破了硅器件電壓（數(shù)kV）和溫度（小于200℃）限制所導(dǎo)致的嚴(yán)重系統(tǒng)局限性。3.應(yīng)用SiC電力電子器件率先在低壓領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，目前商業(yè)產(chǎn)品電壓等級(jí)在600～1700V，已開(kāi)始替代傳統(tǒng)硅器件。高壓SiC電力電子器件目前已研發(fā)出27kVPiN二極管、10~15kV/≥10AMOSFET、20kVGTO、22kVETO和27kV的N型IGBT等。當(dāng)前SiC電力電子器件的成熟度和可靠性不斷提高，正在逐步成為保障電子裝備現(xiàn)代化的必要技術(shù)。

二、國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

1.科技政策與戰(zhàn)略規(guī)劃20世紀(jì)80年代以來(lái)，美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家為保持航天、軍事和技術(shù)強(qiáng)國(guó)地位，始終將寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)放在極其重要的戰(zhàn)略地位，投入巨資實(shí)施了多項(xiàng)旨在提升裝備系統(tǒng)能力和減小模塊組件體積的技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃，取得了良好效果。（1）美國(guó)。早在1997年制定的“國(guó)防與科學(xué)計(jì)劃”中，美國(guó)就明確了寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展目標(biāo)。2014年，奧巴馬總統(tǒng)親自主導(dǎo)成立了以SiC為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，全力支持寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)，以引領(lǐng)下一代電力電子制造業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。該聯(lián)盟目前已獲得聯(lián)邦和地方政府總計(jì)1.4億美元支持，計(jì)劃在未來(lái)5年里，使寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)在成本上具有與當(dāng)前硅基電力電子技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的能力，成為下一代節(jié)能、高效大功率電力電子芯片和器件，引領(lǐng)包括消費(fèi)類(lèi)電子、工業(yè)設(shè)備、通訊、清潔能源等在內(nèi)的，多個(gè)全球最大規(guī)模、最快增長(zhǎng)速度的產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)，全面提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力并創(chuàng)造高薪就業(yè)機(jī)會(huì)。2016年，美國(guó)陸軍資助通用電氣公司（GE）2.1億美元，用一年時(shí)間，采用新型SiCMOSFET器件與GaN器件，實(shí)現(xiàn)15kW、28V/600V的DC-DC雙向整流裝置，預(yù)期使現(xiàn)有硅基電力電子裝備尺寸減小50%、功率能力提升2倍，以提升陸軍坦克在高溫下的作戰(zhàn)能力。（2）日本。從1998年開(kāi)始，日本政府持續(xù)資助寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)研究。2013年，日本將SiC材料體系納入“首相戰(zhàn)略”，認(rèn)為未來(lái)50%的節(jié)能要通過(guò)SiC器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，以便創(chuàng)造清潔能源的新時(shí)代。近幾年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）制定了一系列關(guān)于SiC材料與器件的國(guó)家計(jì)劃，如“國(guó)家硬電子計(jì)劃”，主要發(fā)展高能、高速、高功率開(kāi)關(guān)器件，用于空間、原子能、存儲(chǔ)及信息通訊。2015年NEDO啟動(dòng)了SiC電力電子器件相關(guān)的研究計(jì)劃，重點(diǎn)針對(duì)SiC功率模塊在鐵路機(jī)車(chē)電路系統(tǒng)、多樣性電力交換系統(tǒng)、發(fā)電電動(dòng)一體渦輪增壓機(jī)廢熱回收系統(tǒng)、尖端醫(yī)療設(shè)備和加速器小型化等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、增效的目標(biāo)。（3）歐盟。2014年，歐盟啟動(dòng)為期3年（2014—2017年）的，應(yīng)用于高效電力系統(tǒng)的SiC電力技術(shù)研究計(jì)劃（SPEED），總投入達(dá)1858萬(wàn)歐元，7個(gè)國(guó)家的12家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)參與了該計(jì)劃。該計(jì)劃目標(biāo)是通過(guò)匯集世界領(lǐng)先的制造商和研究人員來(lái)聯(lián)合攻克SiC電力電子器件技術(shù)，突破SiC電力電子器件全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)在可再生能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。2015年，德國(guó)聯(lián)邦研究部資助卡爾斯魯厄理工學(xué)院和工業(yè)界合作伙伴（資助金額80萬(wàn)歐元），開(kāi)展基于SiC開(kāi)關(guān)器件提升高頻電源能效的研究，以提升工業(yè)生產(chǎn)中電源的能效，降低能源消耗和減少CO2排放。2.技術(shù)進(jìn)展隨著SiC外延材料技術(shù)不斷進(jìn)步，主要發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展SiC電力電子器件技術(shù)。近年來(lái)，多家國(guó)際大公司快速向6英寸SiC電力電子器件制造工藝轉(zhuǎn)移，SiC器件產(chǎn)品也在向高壓端和大容量端擴(kuò)展。目前JBS二極管、PiN二極管、MOSFET、IGBT、GTO開(kāi)關(guān)管等SiC器件已實(shí)現(xiàn)10kV以上電壓等級(jí)的樣品，其中單管器件最高電壓達(dá)到27kV以上。SiC電力電子器件的產(chǎn)業(yè)化主要以德國(guó)英飛凌、美國(guó)Cree公司、GE和日本羅姆公司、豐田公司等為代表。SiC電力電子器件首先由英飛凌于2000年前后在JBS二極管上取得突破，打開(kāi)市場(chǎng)化的僵局，目前SiCJBS二極管已廣泛應(yīng)用于高端電源市場(chǎng)。Cree、英飛凌、羅姆等公司逐步推出SiCMOSFET、JFET等產(chǎn)品，豐田公司則把SiCMOSFET器件應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)中。2015年，CREE公司推出全球首款全碳化硅功率模塊產(chǎn)品CAS300M17BM2，該產(chǎn)品有能力完全取代現(xiàn)有額定電流為400A或更高的硅基IGBT模塊，非常適用于高功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)和并網(wǎng)逆變器等應(yīng)用。

三、我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀與水平

1電力電子技術(shù)的應(yīng)用

1.1電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)通向現(xiàn)代化進(jìn)程的道路上有著不可磨滅的功勞，我們都知道，在高電壓輸電的工程中，由電廠(chǎng)發(fā)出電之后，把電流通過(guò)變壓器進(jìn)行變電之后再輸送，這樣做的目的是因?yàn)樵陔娏饕欢ǖ那闆r下，電壓越高電流也就越小，在輸送的過(guò)程中損耗也就越小，可以節(jié)省大量的電流，因?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)的變流特性，尤其是在特高壓的輸送技術(shù)發(fā)展中，利用電力電子技術(shù)，將直流輸送電端的整流和受端電流都應(yīng)用了晶閘管變流裝置，這就在一定程度上解決了長(zhǎng)距離、大容量的輸送電流導(dǎo)致的電流損耗過(guò)大的問(wèn)題，這一舉措為中國(guó)的電力行業(yè)做出了極大的貢獻(xiàn)，使中國(guó)電力系統(tǒng)邁出了至關(guān)重要的一步。同時(shí)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)和交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速以及新能源發(fā)電和智能電網(wǎng)的應(yīng)用等方面也得到了廣泛應(yīng)用。

1.2電氣節(jié)能的應(yīng)用

節(jié)能已經(jīng)成為了當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，因?yàn)殡娫谌藗內(nèi)粘Ｉ钪械闹匾饔?，因此電氣?jié)能也就顯得尤為重要。電氣節(jié)能目前主要包括變頻節(jié)能、電能質(zhì)量控制、有源濾波等三個(gè)方面，在當(dāng)前階段，變頻節(jié)能在這三個(gè)方面中又是重要的一點(diǎn)，人們所熟知的變頻冰箱、變頻空調(diào)等，它們已經(jīng)開(kāi)始為人們的生活提供服務(wù)。在未來(lái)的發(fā)展時(shí)期中，電機(jī)變頻調(diào)速行業(yè)還要進(jìn)行快速的發(fā)展，這主要是因?yàn)樗囊韵氯齻€(gè)重要發(fā)展因素：一是因?yàn)樽冾l器產(chǎn)品越來(lái)越成熟，而且應(yīng)用廣泛，現(xiàn)代電器產(chǎn)品都開(kāi)始進(jìn)入變頻時(shí)代，又由于它的技術(shù)越來(lái)越新，企業(yè)投資產(chǎn)品的成本也越來(lái)越低，這就更為變頻器產(chǎn)品的發(fā)展和應(yīng)用提供了絕好的機(jī)會(huì)。二是因?yàn)樽冾l調(diào)速節(jié)能非常明顯的效果，為社會(huì)提供了廣泛的效益，也為企業(yè)提供了較高的利益，所以越來(lái)越多的企業(yè)對(duì)變頻調(diào)速節(jié)能產(chǎn)生了興趣。三是國(guó)家也開(kāi)始在這方面出臺(tái)一些措施，對(duì)重點(diǎn)耗能企業(yè)進(jìn)行嚴(yán)格控制，鼓勵(lì)督促他們發(fā)展電氣節(jié)能，不僅可以降低企業(yè)能源的消耗，同時(shí)也減少了資源浪費(fèi)，為社會(huì)創(chuàng)造了巨大財(cái)富。

1.3電力電子技術(shù)在家用電器中的應(yīng)用

摘要：文中回顧電力電子技術(shù)的發(fā)展，闡述了電力電子技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，論述了電力電子技術(shù)的創(chuàng)新和器件開(kāi)發(fā)應(yīng)用，將對(duì)我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域形成巨大的生產(chǎn)力，以此推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速高效可持續(xù)發(fā)展

關(guān)鍵詞：發(fā)展趨勢(shì)技術(shù)創(chuàng)新器件開(kāi)發(fā)應(yīng)用推廣

1概述

自本世紀(jì)五十年代未第一只晶閘管問(wèn)世以來(lái)，電力電子技術(shù)開(kāi)始登上現(xiàn)代電氣傳動(dòng)技術(shù)舞臺(tái)，以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的可控硅整流裝置，是電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的一次革命，使電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和靜止離子變流器進(jìn)入由電力電子器件構(gòu)成的變流器時(shí)代，這標(biāo)志著電力電子的誕生。進(jìn)入70年代晶閘管開(kāi)始形成由低電壓小電流到高電壓大電流的系列產(chǎn)品，普通晶閘管不能自關(guān)斷的半控型器件，被稱(chēng)為第一代電力電子器件。隨著電力電子技術(shù)理論研究和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容易和類(lèi)型等方面得到了很大發(fā)展，是電力電子技術(shù)的又一次飛躍，先后研制出GTR.GTO，功率MOSFET等自關(guān)斷全控型第二代電力電子器件。而以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的第三代電力電子器件，開(kāi)始向大容易高頻率、響應(yīng)快、低損耗方向發(fā)展。而進(jìn)入90年代電力電子器件正朝著復(fù)臺(tái)化、標(biāo)準(zhǔn)模塊化、智能化、功率集成的方向發(fā)展，以此為基礎(chǔ)形成一條以電力電子技術(shù)理論研究，器件開(kāi)發(fā)研制，應(yīng)用滲透性，在國(guó)際上電力電子技術(shù)是競(jìng)爭(zhēng)最激烈的高新技術(shù)領(lǐng)域。

2電力電子器發(fā)展回顧

整流管是電力電子器件中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，應(yīng)用最廣泛的一種器件。目前已形成普通型，快恢復(fù)型和肖特基型三大系列產(chǎn)品，電力整流管對(duì)改善各種電力電子電路的性能，降低電路損耗和提高電流使用效率等方面都具有非常重要的作用。自1958年美國(guó)通用電氣GE公司研制出第一個(gè)工業(yè)用普通晶閘管開(kāi)始，其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和工藝的改革為新器件開(kāi)發(fā)研制奠定了基礎(chǔ)，在以后的十年間開(kāi)發(fā)研制出雙向，逆變、逆導(dǎo)、非對(duì)稱(chēng)晶閘管，至今晶閘管系列產(chǎn)品仍有較為廣泛的市場(chǎng)。

1概述

自本世紀(jì)五十年代未第一只晶閘管問(wèn)世以來(lái)，電力電子技術(shù)開(kāi)始登上現(xiàn)代電氣傳動(dòng)技術(shù)舞臺(tái)，以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的可控硅整流裝置，是電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的一次革命，使電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和靜止離子變流器進(jìn)入由電力電子器件構(gòu)成的變流器時(shí)代，這標(biāo)志著電力電子的誕生。進(jìn)入70年代晶閘管開(kāi)始形成由低電壓小電流到高電壓大電流的系列產(chǎn)品，普通晶閘管不能自關(guān)斷的半控型器件，被稱(chēng)為第一代電力電子器件。隨著電力電子技術(shù)理論研究和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容易和類(lèi)型等方面得到了很大發(fā)展，是電力電子技術(shù)的又一次飛躍，先后研制出GTR.GTO，功率MOSFET等自關(guān)斷全控型第二代電力電子器件。而以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的第三代電力電子器件，開(kāi)始向大容易高頻率、響應(yīng)快、低損耗方向發(fā)展。而進(jìn)入90年代電力電子器件正朝著復(fù)臺(tái)化、標(biāo)準(zhǔn)模塊化、智能化、功率集成的方向發(fā)展，以此為基礎(chǔ)形成一條以電力電子技術(shù)理論研究，器件開(kāi)發(fā)研制，應(yīng)用滲透性，在國(guó)際上電力電子技術(shù)是競(jìng)爭(zhēng)最激烈的高新技術(shù)領(lǐng)域。

2電力電子器發(fā)展回顧

整流管是電力電子器件中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，應(yīng)用最廣泛的一種器件。目前已形成普通型，快恢復(fù)型和肖特基型三大系列產(chǎn)品，電力整流管對(duì)改善各種電力電子電路的性能，降低電路損耗和提高電流使用效率等方面都具有非常重要的作用。自1958年美國(guó)通用電氣GE公司研制出第一個(gè)工業(yè)用普通晶閘管開(kāi)始，其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和工藝的改革為新器件開(kāi)發(fā)研制奠定了基礎(chǔ)，在以后的十年間開(kāi)發(fā)研制出雙向，逆變、逆導(dǎo)、非對(duì)稱(chēng)晶閘管，至今晶閘管系列產(chǎn)品仍有較為廣泛的市場(chǎng)。

1964年在美國(guó)第一次試制成功了0.5kV/0.01kA的可關(guān)斷的GTO至今，目前以達(dá)到9kV/0.25kA/0.8kHz的可關(guān)斷的GTO至今，目前以達(dá)到9kV/2.5kA/0.8kHZ及6kV/6kA/1kHZ的水平，在當(dāng)前各種自關(guān)斷器件中GTO容量量最大，但其工作頻率最低，但其在大功率電力牽引驅(qū)動(dòng)中有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此它在中壓、大客量領(lǐng)域中占有一席之地。70年代研制出GTR系列產(chǎn)品，其額定值已達(dá)1.8kV/0.8kA/2kHZ，0.6kV/0.003kA/100kHZ，它具有組成的電路靈活成熟，開(kāi)關(guān)損耗小、開(kāi)關(guān)時(shí)間短等特點(diǎn)，在中等容量、中等頻率的電路中應(yīng)用廣泛，而作為高性能，大容量的第三代絕緣柵型雙極性晶體管IGBT，因其具有電壓型控制，輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)損耗低及工作頻率高等特點(diǎn)，其有著廣闊的發(fā)展前景。而IGCT是最近發(fā)展起來(lái)的新型器件，它是在GTO基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的器件，稱(chēng)為集成門(mén)極換流晶閘管，也有人稱(chēng)之為發(fā)射極關(guān)斷晶閘管，它的瞬時(shí)開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)20kHZ，關(guān)斷時(shí)間為1μs，dildt4kA/ms，du/dt10-20kV/ms，交流阻斷電壓6kV，直流阻斷電壓3.9kV，開(kāi)關(guān)時(shí)間<2ks，導(dǎo)通壓降3600A時(shí)，2.8V，開(kāi)關(guān)頻率>1000Hz。

3電力電子器件發(fā)展趨勢(shì)