功率半導(dǎo)體器件
華中科技大學(xué)    余岳輝  梁 琳
課程的目的要求:
  　功率電子學(xué)是一門包含用功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行功率變換和控制的新技術(shù)，同時(shí)也是多項(xiàng)高技術(shù)的基礎(chǔ)，是信息產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的主要接口，在我國國民經(jīng)濟(jì)中起著舉足輕重的作用，具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
本課程主要內(nèi)容
第1章  概述(2學(xué)時(shí))
第2章  器件及制造、應(yīng)用基礎(chǔ)(8學(xué)時(shí))
開關(guān)控制和變換原理(2)
物理基礎(chǔ)與晶閘管的基本特性(6) 
第3章功率電子器件 (20學(xué)時(shí))
器件（14） ：不控型器件
                半控型器件
                全控型器件
功率集成系統(tǒng)（4） ：智能功率模塊
                                                功率集成電路
新材料（2）  SiC材料及器件
                參考書:[1] 劉剛、余岳輝、史濟(jì)群，半導(dǎo)體器件，電子工業(yè)出版(2000.10) [2][西德] W.格爾拉赫，晶閘管，機(jī)械工業(yè)出版社，(1984)[3] B.J.巴利伽，硅功率場控器件和功率集成電路，機(jī)械工業(yè)出版社，(1986)[4] A.Blicher，Thyristor Physics，(1976)[5] 清華大學(xué)等，大功率可控硅原理與設(shè)計(jì)，人民教育出版(1975)[6] 聶代詐，新型電力電子器件，兵器工業(yè)出版社　(1994)[7].陳  堅(jiān).電力電子學(xué)__電力電子變換和控制技術(shù)，高等教育出版社，(2002)
           本學(xué)科領(lǐng)域的重要雜志:

    [1] 電力電子技術(shù)，(1967年創(chuàng)辦) 中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)主辦.
        (半導(dǎo)體學(xué)報(bào)、電子學(xué)報(bào)、中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)、電工技術(shù)學(xué)報(bào)、半導(dǎo)體技術(shù)、半導(dǎo)體光電、半導(dǎo)體雜志、微電子學(xué))
[2] IEEE Trans.Power Electronics.
[3] IEEE Trans.Electron Device.
[4] [日本]東芝レビュ─、富士時(shí)報(bào)、電氣雜志OHM、
          電氣學(xué)會(huì)論文志、三菱電機(jī)技報(bào)、電氣學(xué)會(huì)技術(shù)報(bào)告
第1章    概述
         內(nèi)容提要
1.1 功率電子學(xué)的定義、特征
1.2 功率電子學(xué)的范疇
1.3 功率電子的應(yīng)用范圍
1.4 機(jī)遇與挑戰(zhàn)
1.5 支撐技術(shù)和發(fā)展方向
1.6 功率電子的負(fù)面效應(yīng)
1.1功率電子學(xué)的定義、特征
1947年Bardeen & Brattain的偶然發(fā)現(xiàn)
Shockley 提出結(jié)型晶體管——?jiǎng)潟r(shí)代事件
1957年誕生第一只“可控硅”(Silicon  Controll         Rectifier)
      1974年后國際上統(tǒng)稱為：Thyristor(晶閘管)
     三個(gè)時(shí)代：整流——逆變——開關(guān)
1.1  功率電子學(xué)的定義、特征“功率電子學(xué)”定義
變電站（發(fā)電廠）
          控制中心
    強(qiáng)電？？
     IT業(yè)
        通信電源
        弱電？？
Dr.Newell  的“倒三角形”定義：
介于三者的邊沿學(xué)科
Power Electronics
功率電子技術(shù)的特征：
        以功率為對(duì)象，用功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)實(shí)現(xiàn)功率變換和控制的技術(shù)
1.2  功率電子學(xué)的范疇
器件技術(shù)（括二極管、功率晶體管、晶閘管、GTO、IGBT 、IEGT  IPM…..所有器件）
電力變換電路
靜止形電源裝置
電機(jī)可變速驅(qū)動(dòng)
CAD、CAE及控制理論
功率電子干些什么？！
目標(biāo)：高速度、高精度、高可靠、高效率
功能：變換——控制
   日常用電：                         
               —處理信息
               —處理能量(發(fā)電—貯電—送電—用電)
控制
應(yīng)用領(lǐng)域：
 傳統(tǒng)三大支柱—電化
                             —牽引
                             —直流傳動(dòng)
  現(xiàn)代三大熱門—交流傳動(dòng)
                             —直流輸電
                             —無功補(bǔ)償
信息時(shí)代四大市場—“4C電子學(xué)”
Communication（信息）
Cars             （汽車）
Computer  （計(jì)算機(jī)）
Consumer（家電）                                     
1.3  功率電子應(yīng)用范圍
網(wǎng)民8000萬人；
上海投入1500億發(fā)展信息電子，建10條IC線，目標(biāo)：總值要占25%；
2000年電話 2億門；
1980-2002汽車由178萬輛增到2053萬輛?，F(xiàn)年產(chǎn)量400萬輛，2020年汽車保有量7000-8000萬輛；
大力發(fā)展BEV、HEV、FCEV，預(yù)測HEV2010年達(dá)10%；
現(xiàn)代燃油車2KW/臺(tái)改為10KW/臺(tái)，12V供電線損大改42V；
計(jì)算機(jī)
家庭環(huán)境舒適度
1.3  功率電子應(yīng)用范圍
發(fā)電、輸電、儲(chǔ)電系統(tǒng)中的功率電子
1.4 機(jī)遇與挑戰(zhàn)    ----四個(gè)危機(jī)與四個(gè)機(jī)遇：能源危機(jī),資源危機(jī),環(huán)境危機(jī),人口危機(jī)
人多地大石油少，2000年進(jìn)口7000萬桶，占總量的30%；
1978年193市，城鎮(zhèn)人口1.7億,占17.9%,
    1998年668市，城鎮(zhèn)人口3.49億,占30.4%；
鐵路路網(wǎng)密度、速度
鐵路 路網(wǎng)密度：
  第一條1876年建成，解放時(shí)2.78萬KM.
2002年7.19萬K                           預(yù)計(jì)2020年達(dá)10萬KM
按土地面積計(jì)   74.89KM/萬.KM2      倒數(shù)第3
    最多的為德國   1009.52KM/萬.KM2
按人口計(jì)           0.56KM/萬人           倒數(shù)第1
    最多為加拿大   16.18KM/萬人   
列車速度
20世紀(jì)年代,發(fā)達(dá)國家繁忙干線車速140-160KM/h，1964年有25個(gè)國家超140KM/h；
我國經(jīng)5次大提速，干線車速達(dá)140-160KM/h，全國平均車速為72.4KM/h, 相當(dāng)西歐國家50年代水平；
磁浮交通:是唯一能達(dá)400KM/h的地面交通工具,目前國際上已達(dá) 550KM/h；
我國第一條磁浮列車線路:上海浦東機(jī)場進(jìn)城,全長30KM,時(shí)速 430KM/h ,2002.12.31通車；
    該試驗(yàn)線可達(dá)500KM/h ，為徳國、日本之后第三國具有這種試驗(yàn)?zāi)芰Φ膰摇?BR>環(huán)境：
    汽車尾氣（汽車保有量2020年為1980的40倍）
        現(xiàn)在世界上有10個(gè)空氣污染城市
                            有7個(gè)在中國
“生存環(huán)境”——電力電子將成為核心技術(shù)
機(jī)遇—節(jié)能
發(fā)達(dá)國90%電能經(jīng)電力電子變換，我國僅30%
風(fēng)機(jī)馬達(dá)耗電達(dá)總電量的62%
交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速可節(jié)電20%、風(fēng)機(jī)39%
1988年統(tǒng)計(jì)：我國風(fēng)機(jī)有700萬臺(tái)、水泵3000萬臺(tái)，耗電占全國總用電的31%
按20%計(jì)，改造一半風(fēng)機(jī)馬達(dá)，年節(jié)電180億度，相當(dāng)9個(gè)大亞灣電站的年發(fā)電量。
6000萬只節(jié)能燈(86年產(chǎn)量的1/8)，節(jié)電20億度
風(fēng)力發(fā)電,水電以谷補(bǔ)峰,超導(dǎo)貯能,太陽能發(fā)電,燃料電池,潮汐發(fā)電,舒適的環(huán)境，滿足人們需求,支持信息社會(huì)的重要技術(shù)
     智能家電、變頻空調(diào)、通信工具
穩(wěn)定可靠、高效的電力供應(yīng)技術(shù)
     UPS
交通工具
EMC問題（波形重組）
人口增長對(duì)能源的需求
1994年OECD(經(jīng)濟(jì)協(xié)力開發(fā)機(jī)構(gòu))統(tǒng)計(jì):
      工業(yè)先進(jìn)國總?cè)丝?nbsp;      25%
       耗一次能源                  73%
       耗電能                           80%
1960年世界人口              30億
     2000年世界人口              61億
能源需求   1970年           100*106桶
           1995年           200*106桶
新課題
新材料、器件的需求,SiC器件、GaN器件,諧波抑制,浪涌電壓、電力變動(dòng),功率集成,新概念武器,碳化硅肖特基勢壘二極管
美國北卡州立大學(xué)功率半導(dǎo)體研究中心（PSRC）于1992年最先報(bào)道了全世界首次成功研制的6H-SiC 肖特基勢壘二極管，其阻斷電壓一開始就達(dá)到400V， 1994年提高到1000V 。
目前，碳化硅肖特基勢壘二極管的研發(fā)水平已達(dá)到高壓器件阻斷電壓超過10kV，大電流器件通態(tài)電流130A、阻斷電壓高達(dá)5kV的水平 。
碳化硅肖特基勢壘二極管與硅快恢復(fù)二極管
功率集成
RSD堆組件結(jié)構(gòu)
1.4 機(jī)遇與挑戰(zhàn)
研制中的SOS電壓60KV、峰值電流10KA、trr100nS
研制中的重頻脈沖功率開關(guān)RSD
KK2500A/2500V晶閘管MKT350A模塊
KK2500A、2500V快速晶閘管（已失效）
玻璃鈍化的雪崩二極管芯片
八0坦克用硅干擾抑制器
KP50A晶閘管芯片
1.5  支撐技術(shù)和發(fā)展方向
支撐技術(shù)：
功率電子器件應(yīng)用技術(shù),主回路控制,技術(shù)專用微處理器
IT、計(jì)算機(jī)技術(shù)
品質(zhì)保障技術(shù)
生產(chǎn)、營銷服務(wù)一體化管理體制
發(fā)展方向
大功率化,高頻化,模塊化,智能化
總趨勢：電力電子、微電子一體化發(fā)展 用于機(jī)車的大功率GTO
1.5  支撐技術(shù)和發(fā)展方向---大功率化
1.5 支撐技術(shù)和發(fā)展方向---高頻化
1.5  支撐技術(shù)和發(fā)展方向---高頻化
1.5  支撐技術(shù)和發(fā)展方向---模塊化
各式各樣的功率半導(dǎo)體模塊
功率集成
1.5  支撐技術(shù)和發(fā)展方向---智能化
1.5  支撐技術(shù)和發(fā)展方向---智能化
1.6  功率電子的負(fù)面效應(yīng)
諧波
電力變動(dòng)
本節(jié)小結(jié):   要求掌握的內(nèi)容
功率電子學(xué)的定義
功率電子學(xué)的范疇
功率電子在國民經(jīng)濟(jì)中的地位和作用
功率電子的發(fā)展方向