功率半導體器件
華中科技大學    余岳輝  梁 琳
課程的目的要求:
  　功率電子學是一門包含用功率半導體器件進行功率變換和控制的新技術，同時也是多項高技術的基礎，是信息產業和傳統產業的主要接口，在我國國民經濟中起著舉足輕重的作用，具有十分顯著的經濟效益。
本課程主要內容
第1章  概述(2學時)
第2章  器件及制造、應用基礎(8學時)
開關控制和變換原理(2)
物理基礎與晶閘管的基本特性(6) 
第3章功率電子器件 (20學時)
器件（14） ：不控型器件
                半控型器件
                全控型器件
功率集成系統（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、史濟群，半導體器件，電子工業出版(2000.10) [2][西德] W.格爾拉赫，晶閘管，機械工業出版社，(1984)[3] B.J.巴利伽，硅功率場控器件和功率集成電路，機械工業出版社，(1986)[4] A.Blicher，Thyristor Physics，(1976)[5] 清華大學等，大功率可控硅原理與設計，人民教育出版(1975)[6] 聶代詐，新型電力電子器件，兵器工業出版社　(1994)[7].陳  堅.電力電子學__電力電子變換和控制技術，高等教育出版社，(2002)
           本學科領域的重要雜志:

    [1] 電力電子技術，(1967年創辦) 中國電工技術學會電力電子學會主辦.
        (半導體學報、電子學報、中國電機工程學報、電工技術學報、半導體技術、半導體光電、半導體雜志、微電子學)
[2] IEEE Trans.Power Electronics.
[3] IEEE Trans.Electron Device.
[4] [日本]東芝レビュ─、富士時報、電氣雜志OHM、
          電氣學會論文志、三菱電機技報、電氣學會技術報告
第1章    概述
         內容提要
1.1 功率電子學的定義、特征
1.2 功率電子學的范疇
1.3 功率電子的應用范圍
1.4 機遇與挑戰
1.5 支撐技術和發展方向
1.6 功率電子的負面效應
1.1功率電子學的定義、特征
1947年Bardeen & Brattain的偶然發現
Shockley 提出結型晶體管——劃時代事件
1957年誕生第一只“可控硅”(Silicon  Controll         Rectifier)
      1974年后國際上統稱為：Thyristor(晶閘管)
     三個時代：整流——逆變——開關
1.1  功率電子學的定義、特征“功率電子學”定義
變電站（發電廠）
          控制中心
    強電？？
     IT業
        通信電源
        弱電？？
Dr.Newell  的“倒三角形”定義：
介于三者的邊沿學科
Power Electronics
功率電子技術的特征：
        以功率為對象，用功率半導體器件的開關實現功率變換和控制的技術
1.2  功率電子學的范疇
器件技術（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
電機可變速驅動
CAD、CAE及控制理論
功率電子干些什么？！
目標：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(發電—貯電—送電—用電)
控制
應用領域：
 傳統三大支柱—電化
                             —牽引
                             —直流傳動
  現代三大熱門—交流傳動
                             —直流輸電
                             —無功補償
信息時代四大市場—“4C電子學”
Communication（信息）
Cars             （汽車）
Computer  （計算機）
Consumer（家電）                                     
1.3  功率電子應用范圍
網民8000萬人；
上海投入1500億發展信息電子，建10條IC線，目標：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。現年產量400萬輛，2020年汽車保有量7000-8000萬輛；
大力發展BEV、HEV、FCEV，預測HEV2010年達10%；
現代燃油車2KW/臺改為10KW/臺，12V供電線損大改42V；
計算機
家庭環境舒適度
1.3  功率電子應用范圍
發電、輸電、儲電系統中的功率電子
1.4 機遇與挑戰    ----四個危機與四個機遇：能源危機,資源危機,環境危機,人口危機
人多地大石油少，2000年進口7000萬桶，占總量的30%；
1978年193市，城鎮人口1.7億,占17.9%,
    1998年668市，城鎮人口3.49億,占30.4%；
鐵路路網密度、速度
鐵路 路網密度：
  第一條1876年建成，解放時2.78萬KM.
2002年7.19萬K                           預計2020年達10萬KM
按土地面積計   74.89KM/萬.KM2      倒數第3
    最多的為德國   1009.52KM/萬.KM2
按人口計           0.56KM/萬人           倒數第1
    最多為加拿大   16.18KM/萬人   
列車速度
20世紀年代,發達國家繁忙干線車速140-160KM/h，1964年有25個國家超140KM/h；
我國經5次大提速，干線車速達140-160KM/h，全國平均車速為72.4KM/h, 相當西歐國家50年代水平；
磁浮交通:是唯一能達400KM/h的地面交通工具,目前國際上已達 550KM/h；
我國第一條磁浮列車線路:上海浦東機場進城,全長30KM,時速 430KM/h ,2002.12.31通車；
    該試驗線可達500KM/h ，為徳國、日本之后第三國具有這種試驗能力的國家。
環境：
    汽車尾氣（汽車保有量2020年為1980的40倍）
        現在世界上有10個空氣污染城市
                            有7個在中國
“生存環境”——電力電子將成為核心技術
機遇—節能
發達國90%電能經電力電子變換，我國僅30%
風機馬達耗電達總電量的62%
交流電動機變頻調速可節電20%、風機39%
1988年統計：我國風機有700萬臺、水泵3000萬臺，耗電占全國總用電的31%
按20%計，改造一半風機馬達，年節電180億度，相當9個大亞灣電站的年發電量。
6000萬只節能燈(86年產量的1/8)，節電20億度
風力發電,水電以谷補峰,超導貯能,太陽能發電,燃料電池,潮汐發電,舒適的環境，滿足人們需求,支持信息社會的重要技術
     智能家電、變頻空調、通信工具
穩定可靠、高效的電力供應技術
     UPS
交通工具
EMC問題（波形重組）
人口增長對能源的需求
1994年OECD(經濟協力開發機構)統計:
      工業先進國總人口       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,功率集成,新概念武器,碳化硅肖特基勢壘二極管
美國北卡州立大學功率半導體研究中心（PSRC）于1992年最先報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到400V， 1994年提高到1000V 。
目前，碳化硅肖特基勢壘二極管的研發水平已達到高壓器件阻斷電壓超過10kV，大電流器件通態電流130A、阻斷電壓高達5kV的水平 。
碳化硅肖特基勢壘二極管與硅快恢復二極管
功率集成
RSD堆組件結構
1.4 機遇與挑戰
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  支撐技術和發展方向
支撐技術：
功率電子器件應用技術,主回路控制,技術專用微處理器
IT、計算機技術
品質保障技術
生產、營銷服務一體化管理體制
發展方向
大功率化,高頻化,模塊化,智能化
總趨勢：電力電子、微電子一體化發展 用于機車的大功率GTO
1.5  支撐技術和發展方向---大功率化
1.5 支撐技術和發展方向---高頻化
1.5  支撐技術和發展方向---高頻化
1.5  支撐技術和發展方向---模塊化
各式各樣的功率半導體模塊
功率集成
1.5  支撐技術和發展方向---智能化
1.5  支撐技術和發展方向---智能化
1.6  功率電子的負面效應
諧波
電力變動
本節小結:   要求掌握的內容
功率電子學的定義
功率電子學的范疇
功率電子在國民經濟中的地位和作用
功率電子的發展方向