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

論文關(guān)鍵詞:電力電子器件；變頻技術(shù)；諧波；功率因數(shù)

論文摘要:介紹了電力電子器件和變頻技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，以及變頻技術(shù)在家用電器的應(yīng)用,分析了變頻技術(shù)的應(yīng)用也帶來(lái)了諧波、電磁干擾和電源系統(tǒng)功率因數(shù)下降等問(wèn)題。提出了相關(guān)的諧波抑制方法及提高電源系統(tǒng)功率因數(shù)的措施。

引言

隨著電力電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，交流調(diào)速取代直流調(diào)速已成為發(fā)展趨勢(shì)。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和啟、制動(dòng)性能被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。變頻技術(shù)是交流調(diào)速的核心技術(shù)，電力電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)又是變頻技術(shù)的核心，而電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。電力電子技術(shù)是近幾年迅速發(fā)展的一種高新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化、電機(jī)傳動(dòng)、航空航天等領(lǐng)域，現(xiàn)已成為各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的一種高新技術(shù)。專(zhuān)家預(yù)言，在21世紀(jì)高度發(fā)展的自動(dòng)控制領(lǐng)域內(nèi)，計(jì)算機(jī)技術(shù)與電力電子技術(shù)是兩項(xiàng)最重要的技術(shù)。

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]。

一、薄膜制備技術(shù)

薄膜制備方法多種多樣，總的說(shuō)來(lái)可以分為兩種——物理的和化學(xué)的。物理方法指在薄膜的制備過(guò)程中，原材料只發(fā)生物理的變化，而化學(xué)方法中，則要利用到一些化學(xué)反應(yīng)才能得到薄膜。

1.化學(xué)氣相淀積法(CVD)

目前光電子器件的制備中常用的化學(xué)方法主要有等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積（MOCVD）。

化學(xué)氣相淀積是制備各種薄膜的常用方法，利用這一技術(shù)可以在各種基片上制備多種元素及化合物薄膜。傳統(tǒng)的化學(xué)氣相淀積一般需要在高溫下進(jìn)行，高溫常常會(huì)使基片受到損壞，而等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）則能解決這一問(wèn)題。等離子體的基本作用是促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，等離子體中的電子的平均能量足以使大多數(shù)氣體電離或分解。用電子動(dòng)能代替熱能，這就大大降低了薄膜制備環(huán)境的溫度，采用PECVD技術(shù)，一般在1000℃以下。利用PECVD技術(shù)可以制備SiO2、Si3N4、非晶Si:H、多晶Si、SiC等介電和半導(dǎo)體膜，能夠滿(mǎn)足光電子器件的研發(fā)和制備對(duì)新型和優(yōu)質(zhì)材料的大量需求。

金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積（MOCVD）是利用有機(jī)金屬熱分解進(jìn)行氣相外延生長(zhǎng)的先進(jìn)技術(shù)，目前主要用于化合物半導(dǎo)體的薄膜氣相生長(zhǎng)，因此在以化合物半導(dǎo)體為主的光電子器件的制備中，它是一種常用的方法。利用MOCVD技術(shù)可以合成組分按任意比例組成的人工合成材料，薄膜厚度可以精確控制到原子級(jí)，從而可以很方便的得到各種薄膜結(jié)構(gòu)型材料，如量子阱、超晶格等。這種技術(shù)使得量子阱結(jié)構(gòu)在激光器和LED等器件中得到廣泛的應(yīng)用，大大提高了器件性能。2.物理氣相淀積（PVD）

1納米導(dǎo)線(xiàn)激光器

2001年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的研究人員在只及人的頭發(fā)絲千分之一的納米光導(dǎo)線(xiàn)上制造出世界最小的激光器-納米激光器。這種激光器不僅能發(fā)射紫外激光，經(jīng)過(guò)調(diào)整后還能發(fā)射從藍(lán)色到深紫外的激光。研究人員使用一種稱(chēng)為取向附生的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，用純氧化鋅晶體制造了這種激光器。他們先是"培養(yǎng)"納米導(dǎo)線(xiàn)，即在金層上形成直徑為20nm～150nm，長(zhǎng)度為10000nm的純氧化鋅導(dǎo)線(xiàn)。然后，當(dāng)研究人員在溫室下用另一種激光將納米導(dǎo)線(xiàn)中的純氧化鋅晶體激活時(shí)，純氧化鋅晶體會(huì)發(fā)射波長(zhǎng)只有17nm的激光。這種納米激光器最終有可能被用于鑒別化學(xué)物質(zhì)，提高計(jì)算機(jī)磁盤(pán)和光子計(jì)算機(jī)的信息存儲(chǔ)量。

2紫外納米激光器

繼微型激光器、微碟激光器、微環(huán)激光器、量子雪崩激光器問(wèn)世后，美國(guó)加利福尼亞伯克利大學(xué)的化學(xué)家楊佩東及其同事制成了室溫納米激光器。這種氧化鋅納米激光器在光激勵(lì)下能發(fā)射線(xiàn)寬小于0.3nm、波長(zhǎng)為385nm的激光，被認(rèn)為是世界上最小的激光器，也是采用納米技術(shù)制造的首批實(shí)際器件之一。在開(kāi)發(fā)的初始階段，研究人員就預(yù)言這種ZnO納米激光器容易制作、亮度高、體積小，性能等同甚至優(yōu)于GaN藍(lán)光激光器。由于能制作高密度納米線(xiàn)陣列，所以，ZnO納米激光器可以進(jìn)入許多今天的GaAs器件不可能涉及的應(yīng)用領(lǐng)域。為了生長(zhǎng)這種激光器，ZnO納米線(xiàn)要用催化外延晶體生長(zhǎng)的氣相輸運(yùn)法合成。首先，在藍(lán)寶石襯底上涂敷一層1nm~3.5nm厚的金膜，然后把它放到一個(gè)氧化鋁舟上，將材料和襯底在氨氣流中加熱到880℃~905℃，產(chǎn)生Zn蒸汽，再將Zn蒸汽輸運(yùn)到襯底上，在2min~10min的生長(zhǎng)過(guò)程內(nèi)生成截面積為六邊形的2μm~10μm的納米線(xiàn)。研究人員發(fā)現(xiàn)，ZnO納米線(xiàn)形成天然的激光腔，其直徑為20nm~150nm，其大部分（95％）直徑在70nm~100nm。為了研究納米線(xiàn)的受激發(fā)射，研究人員用Nd:YAG激光器（266nm波長(zhǎng)，3ns脈寬）的四次諧波輸出在溫室下對(duì)樣品進(jìn)行光泵浦。在發(fā)射光譜演變期間，光隨泵浦功率的增大而激射，當(dāng)激射超過(guò)ZnO納米線(xiàn)的閾值（約為40kW／cm）時(shí)，發(fā)射光譜中會(huì)出現(xiàn)最高點(diǎn)，這些最高點(diǎn)的線(xiàn)寬小于0.3nm，比閾值以下自發(fā)射頂點(diǎn)的線(xiàn)寬小1/50以上。這些窄的線(xiàn)寬及發(fā)射強(qiáng)度的迅速提高使研究人員得出結(jié)論：受激發(fā)射的確發(fā)生在這些納米線(xiàn)中。因此，這種納米線(xiàn)陣列可以作為天然的諧振腔，進(jìn)而成為理想的微型激光光源。研究人員相信，這種短波長(zhǎng)納米激光器可應(yīng)用在光計(jì)算、信息存儲(chǔ)和納米分析儀等領(lǐng)域中。

3量子阱激光器

2010年前后，蝕刻在半導(dǎo)體片上的線(xiàn)路寬度將達(dá)到100nm以下，在電路中移動(dòng)的將只有少數(shù)幾個(gè)電子，一個(gè)電子的增加和減少都會(huì)給電路的運(yùn)行造成很大影響。為了解決這一問(wèn)題，量子阱激光器就誕生了。在量子力學(xué)中，把能夠?qū)﹄娮拥倪\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生約束并使其量子化的勢(shì)場(chǎng)稱(chēng)之成為量子阱。而利用這種量子約束在半導(dǎo)體激光器的有源層中形成量子能級(jí)，使能級(jí)之間的電子躍遷支配激光器的受激輻射，這就是量子阱激光器。目前，量子阱激光器有兩種類(lèi)型：量子線(xiàn)激光器和量子點(diǎn)激光器。

論文關(guān)鍵詞：納米導(dǎo)線(xiàn)激光器；紫外納米激光器；量子阱激光器；微腔激光器；新型納米激光器

論文摘要：納米光電子技術(shù)是一門(mén)新興的技術(shù)，近年來(lái)越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視，而隨著該技術(shù)產(chǎn)生的納米光電子器件更是成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。主要介紹了納米光電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀。

1納米導(dǎo)線(xiàn)激光器

2001年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的研究人員在只及人的頭發(fā)絲千分之一的納米光導(dǎo)線(xiàn)上制造出世界最小的激光器-納米激光器。這種激光器不僅能發(fā)射紫外激光，經(jīng)過(guò)調(diào)整后還能發(fā)射從藍(lán)色到深紫外的激光。研究人員使用一種稱(chēng)為取向附生的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，用純氧化鋅晶體制造了這種激光器。他們先是"培養(yǎng)"納米導(dǎo)線(xiàn)，即在金層上形成直徑為20nm～150nm，長(zhǎng)度為10000nm的純氧化鋅導(dǎo)線(xiàn)。然后，當(dāng)研究人員在溫室下用另一種激光將納米導(dǎo)線(xiàn)中的純氧化鋅晶體激活時(shí)，純氧化鋅晶體會(huì)發(fā)射波長(zhǎng)只有17nm的激光。這種納米激光器最終有可能被用于鑒別化學(xué)物質(zhì)，提高計(jì)算機(jī)磁盤(pán)和光子計(jì)算機(jī)的信息存儲(chǔ)量。

2紫外納米激光器

繼微型激光器、微碟激光器、微環(huán)激光器、量子雪崩激光器問(wèn)世后，美國(guó)加利福尼亞伯克利大學(xué)的化學(xué)家楊佩東及其同事制成了室溫納米激光器。這種氧化鋅納米激光器在光激勵(lì)下能發(fā)射線(xiàn)寬小于0.3nm、波長(zhǎng)為385nm的激光，被認(rèn)為是世界上最小的激光器，也是采用納米技術(shù)制造的首批實(shí)際器件之一。在開(kāi)發(fā)的初始階段，研究人員就預(yù)言這種ZnO納米激光器容易制作、亮度高、體積小，性能等同甚至優(yōu)于GaN藍(lán)光激光器。由于能制作高密度納米線(xiàn)陣列，所以，ZnO納米激光器可以進(jìn)入許多今天的GaAs器件不可能涉及的應(yīng)用領(lǐng)域。為了生長(zhǎng)這種激光器，ZnO納米線(xiàn)要用催化外延晶體生長(zhǎng)的氣相輸運(yùn)法合成。首先，在藍(lán)寶石襯底上涂敷一層1nm~3.5nm厚的金膜，然后把它放到一個(gè)氧化鋁舟上，將材料和襯底在氨氣流中加熱到880℃~905℃，產(chǎn)生Zn蒸汽，再將Zn蒸汽輸運(yùn)到襯底上，在2min~10min的生長(zhǎng)過(guò)程內(nèi)生成截面積為六邊形的2μm~10μm的納米線(xiàn)。研究人員發(fā)現(xiàn)，ZnO納米線(xiàn)形成天然的激光腔，其直徑為20nm~150nm，其大部分（95％）直徑在70nm~100nm。為了研究納米線(xiàn)的受激發(fā)射，研究人員用Nd:YAG激光器（266nm波長(zhǎng)，3ns脈寬）的四次諧波輸出在溫室下對(duì)樣品進(jìn)行光泵浦。在發(fā)射光譜演變期間，光隨泵浦功率的增大而激射，當(dāng)激射超過(guò)ZnO納米線(xiàn)的閾值（約為40kW／cm）時(shí)，發(fā)射光譜中會(huì)出現(xiàn)最高點(diǎn)，這些最高點(diǎn)的線(xiàn)寬小于0.3nm，比閾值以下自發(fā)射頂點(diǎn)的線(xiàn)寬小1/50以上。這些窄的線(xiàn)寬及發(fā)射強(qiáng)度的迅速提高使研究人員得出結(jié)論：受激發(fā)射的確發(fā)生在這些納米線(xiàn)中。因此，這種納米線(xiàn)陣列可以作為天然的諧振腔，進(jìn)而成為理想的微型激光光源。研究人員相信，這種短波長(zhǎng)納米激光器可應(yīng)用在光計(jì)算、信息存儲(chǔ)和納米分析儀等領(lǐng)域中。

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?？申P(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:本文在超新集團(tuán)泛雅網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上引入“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式、信息化考核機(jī)制等，讓學(xué)生充分參與到教學(xué)中來(lái);建設(shè)分層自主學(xué)習(xí)資源，直觀形象地展現(xiàn)課程內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、半導(dǎo)體器件應(yīng)用及項(xiàng)目開(kāi)發(fā)能力;搭建TCAD綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，一體化集成器件仿真分層學(xué)習(xí)資源，學(xué)生可以隨時(shí)隨地在校園內(nèi)登錄平臺(tái)查閱資料完成課題任務(wù)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞:信息化;分層自主學(xué)習(xí)資源;TCAD綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

“微電子器件”是電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)核心基礎(chǔ)課程，也是應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)新興微電子與光電產(chǎn)業(yè)所需的應(yīng)用技術(shù)人才必備的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)課程［1］。該課程是連接半導(dǎo)體材料與器件和電路的橋梁，是后續(xù)深入學(xué)習(xí)集成電路專(zhuān)業(yè)課程，培養(yǎng)學(xué)生具備大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)能力必不可少的基礎(chǔ)?！蔽㈦娮悠骷闭n程知識(shí)點(diǎn)抽象，關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，內(nèi)容編排上從半導(dǎo)體材料的摻雜改性，到P型、N型半導(dǎo)體結(jié)合形成半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)單元，再到各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的器件設(shè)計(jì)和控制，采用層層推進(jìn)的方式，邏輯嚴(yán)密，理論性強(qiáng)，學(xué)生需要有良好的前期課程基礎(chǔ)，并扎實(shí)掌握課程每一部分內(nèi)容才能跟上學(xué)習(xí)的進(jìn)度［2］。為了有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及課程參與度，我們實(shí)施混合式自主教學(xué)資源庫(kù)以及一體化TCAD綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，依據(jù)行業(yè)需求、學(xué)生及課程特點(diǎn)、改革教學(xué)的方式方法，對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)起到非常有益的效果。

1混合式自主教學(xué)資源建設(shè)思路

實(shí)時(shí)調(diào)研半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)課程的需求，我們課題組明確教學(xué)資源建設(shè)內(nèi)容，以畢業(yè)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)、翻轉(zhuǎn)課堂等形式讓學(xué)生參與到混合式自主教學(xué)資源建設(shè)中來(lái)。已完成基于學(xué)院泛雅網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的部分微課視頻、動(dòng)畫(huà)、題庫(kù)、分層自主學(xué)習(xí)資源等信息化教學(xué)資源建設(shè)，已啟動(dòng)微電子器件簡(jiǎn)易教學(xué)展示平臺(tái)研發(fā)并一體化集成SilvacoTCAD用戶(hù)使用手冊(cè)、微電子器件綜合實(shí)驗(yàn)課件、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)、教案、半導(dǎo)體器件工藝制備流程等實(shí)踐教學(xué)資源。依托泛雅網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，引入了“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式，并將陸續(xù)推進(jìn)“翻轉(zhuǎn)課堂”素材的制作;引入信息化教學(xué)手段對(duì)師生間的實(shí)時(shí)互動(dòng)交流、智能化簽到、考核機(jī)制等展開(kāi)研究。在實(shí)施教學(xué)過(guò)程中檢驗(yàn)已完成資源成效并實(shí)時(shí)優(yōu)化改進(jìn)，混合式自主教學(xué)資源建設(shè)架構(gòu)如圖1所示。

2混合式自主教學(xué)資源建設(shè)內(nèi)容