功率半导体器件

功率半导体器件
华中科技大学    余岳辉  梁 琳
课程的目的要求:
  　功率电子学是一门包含用功率半导体器件进行功率变换和控制的新技术，同时也是多项高技术的基础，是信息产业和传统产业的主要接口，在我国国民经济中起着举足轻重的作用，具有十分显著的经济效益。
本课程主要内容
第1章  概述(2学时)
第2章  器件及制造、应用基础(8学时)
开关控制和变换原理(2)
物理基础与晶闸管的基本特性(6) 
第3章功率电子器件 (20学时)
器件（14） ：不控型器件
                半控型器件
                全控型器件
功率集成系统（4） ：智能功率模块
                                                功率集成电路
新材料（2）  SiC材料及器件
                参考书:[1] 刘刚、余岳辉、史济群，半导体器件，电子工业出版(2000.10) [2][西德] W.格尔拉赫，晶闸管，机械工业出版社，(1984)[3] B.J.巴利伽，硅功率场控器件和功率集成电路，机械工业出版社，(1986)[4] A.Blicher，Thyristor Physics，(1976)[5] 清华大学等，大功率可控硅原理与设计，人民教育出版(1975)[6] 聂代诈，新型电力电子器件，兵器工业出版社　(1994)[7].陈  坚.电力电子学__电力电子变换和控制技术，高等教育出版社，(2002)
           本学科领域的重要杂志:

    [1] 电力电子技术，(1967年创办) 中国电工技术学会电力电子学会主办.
        (半导体学报、电子学报、中国电机工程学报、电工技术学报、半导体技术、半导体光电、半导体杂志、微电子学)
[2] IEEE Trans.Power Electronics.
[3] IEEE Trans.Electron Device.
[4] [日本]东芝レビュ─、富士时报、电气杂志OHM、
          电气学会论文志、三菱电机技报、電气学会技術报告
第1章    概述
         内容提要
1.1 功率电子学的定义、特征
1.2 功率电子学的范畴
1.3 功率电子的应用范围
1.4 机遇与挑战
1.5 支撑技术和发展方向
1.6 功率电子的负面效应
1.1功率电子学的定义、特征
1947年Bardeen & Brattain的偶然发现
Shockley 提出结型晶体管——划时代事件
1957年诞生第一只“可控硅”(Silicon  Controll         Rectifier)
      1974年后国际上统称为：Thyristor(晶闸管)
     三个时代：整流——逆变——开关
1.1  功率电子学的定义、特征“功率电子学”定义
变电站（发电厂）
          控制中心
    强电？？
     IT业
        通信电源
        弱电？？
Dr.Newell  的“倒三角形”定义：
介于三者的边沿学科
Power Electronics
功率电子技术的特征：
        以功率为对象，用功率半导体器件的开关实现功率变换和控制的技术
1.2  功率电子学的范畴
器件技术（括二极管、功率晶体管、晶闸管、GTO、IGBT 、IEGT  IPM…..所有器件）
电力变换电路
静止形电源装置
电机可变速驱动
CAD、CAE及控制理论
功率电子干些什么？！
目标：高速度、高精度、高可靠、高效率
功能：变换——控制
   日常用电：                         
               —处理信息
               —处理能量(发电—贮电—送电—用电)
控制
应用领域：
 传统三大支柱—电化
                             —牵引
                             —直流传动
  现代三大热门—交流传动
                             —直流输电
                             —无功补偿
信息时代四大市场—“4C电子学”
Communication（信息）
Cars             （汽车）
Computer  （计算机）
Consumer（家电）                                     
1.3  功率电子应用范围
网民8000万人；
上海投入1500亿发展信息电子，建10条IC线，目标：总值要占25%；
2000年电话 2亿门；
1980-2002汽车由178万辆增到2053万辆。现年产量400万辆，2020年汽车保有量7000-8000万辆；
大力发展BEV、HEV、FCEV，预测HEV2010年达10%；
现代燃油车2KW/台改为10KW/台，12V供电线损大改42V；
计算机
家庭环境舒适度
1.3  功率电子应用范围
发电、输电、储电系统中的功率电子
1.4 机遇与挑战    ----四个危机与四个机遇：能源危机,资源危机,环境危机,人口危机
人多地大石油少，2000年进口7000万桶，占总量的30%；
1978年193市，城镇人口1.7亿,占17.9%,
    1998年668市，城镇人口3.49亿,占30.4%；
铁路路网密度、速度
铁路 路网密度：
  第一条1876年建成，解放时2.78万KM.
2002年7.19万K                           预计2020年达10万KM
按土地面积计   74.89KM/万.KM2      倒数第3
    最多的为德国   1009.52KM/万.KM2
按人口计           0.56KM/万人           倒数第1
    最多为加拿大   16.18KM/万人   
列车速度
20世纪年代,发达国家繁忙干线车速140-160KM/h，1964年有25个国家超140KM/h；
我国经5次大提速，干线车速达140-160KM/h，全国平均车速为72.4KM/h, 相当西欧国家50年代水平；
磁浮交通:是唯一能达400KM/h的地面交通工具,目前国际上已达 550KM/h；
我国第一条磁浮列车线路:上海浦东机场进城,全长30KM,时速 430KM/h ,2002.12.31通车；
    该试验线可达500KM/h ，为徳国、日本之后第三国具有这种试验能力的国家。
环境：
    汽车尾气（汽车保有量2020年为1980的40倍）
        现在世界上有10个空气污染城市
                            有7个在中国
“生存环境”——电力电子将成为核心技术
机遇—节能
发达国90%电能经电力电子变换，我国仅30%
风机马达耗电达总电量的62%
交流电动机变频调速可节电20%、风机39%
1988年统计：我国风机有700万台、水泵3000万台，耗电占全国总用电的31%
按20%计，改造一半风机马达，年节电180亿度，相当9个大亚湾电站的年发电量。
6000万只节能灯(86年产量的1/8)，节电20亿度
风力发电,水电以谷补峰,超导贮能,太阳能发电,燃料电池,潮汐发电,舒适的环境，满足人们需求,支持信息社会的重要技术
     智能家电、变频空调、通信工具
稳定可靠、高效的电力供应技术
     UPS
交通工具
EMC问题（波形重组）
人口增长对能源的需求
1994年OECD(经济协力开发机构)统计:
      工业先进国总人口       25%
       耗一次能源                  73%
       耗电能                           80%
1960年世界人口              30亿
     2000年世界人口              61亿
能源需求   1970年           100*106桶
           1995年           200*106桶
新课题
新材料、器件的需求,SiC器件、GaN器件,谐波抑制,浪涌电压、电力变动,功率集成,新概念武器,碳化硅肖特基势垒二极管
美国北卡州立大学功率半导体研究中心（PSRC）于1992年最先报道了全世界首次成功研制的6H-SiC 肖特基势垒二极管，其阻断电压一开始就达到400V， 1994年提高到1000V 。
目前，碳化硅肖特基势垒二极管的研发水平已达到高压器件阻断电压超过10kV，大电流器件通态电流130A、阻断电压高达5kV的水平 。
碳化硅肖特基势垒二极管与硅快恢复二极管
功率集成
RSD堆组件结构
1.4 机遇与挑战
研制中的SOS电压60KV、峰值电流10KA、trr100nS
研制中的重频脉冲功率开关RSD
KK2500A/2500V晶闸管MKT350A模块
KK2500A、2500V快速晶闸管（已失效）
玻璃钝化的雪崩二极管芯片
八0坦克用硅干扰抑制器
KP50A晶闸管芯片
1.5  支撑技术和发展方向
支撑技术：
功率电子器件应用技术,主回路控制,技术专用微处理器
IT、计算机技术
品质保障技术
生产、营销服务一体化管理体制
发展方向
大功率化,高频化,模块化,智能化
总趋势：电力电子、微电子一体化发展 用于机车的大功率GTO
1.5  支撑技术和发展方向---大功率化
1.5 支撑技术和发展方向---高频化
1.5  支撑技术和发展方向---高频化
1.5  支撑技术和发展方向---模块化
各式各样的功率半导体模块
功率集成
1.5  支撑技术和发展方向---智能化
1.5  支撑技术和发展方向---智能化
1.6  功率电子的负面效应
谐波
电力变动
本节小结:   要求掌握的内容
功率电子学的定义
功率电子学的范畴
功率电子在国民经济中的地位和作用
功率电子的发展方向