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电力电子集成技术的现状及发展方向

时间:2016-01-22 08:57 点击:
【论文摘要】综述了电力电子集成技术目前的基本概念、研究的意义和现状等;列举了当前主要的研究机构和研究内 容;分析了未来的发展方向。 【论文关键词】电力电子技术;封装;电力半导体器件/集成技术 Abstract Basic concepts importance and state-of-art
  【论文摘要】综述了电力电子集成技术目前的基本概念、研究的意义和现状等;列举了当前主要的研究机构和研究内 容;分析了未来的发展方向。
  【论文关键词】电力电子技术;封装;电力半导体器件/集成技术
  Abstract Basic concepts importance and state-of-art of the powder electronic integration are introduced in t^ie paper major research groups and research works are listed and the future development trends are analyzed Key words:power electronics; package ; powder semionductor device/integration  
  1概述
  电能是迄今为止人类文明史上最优质的能源。虽然人类在电能的产生、传输和利用方面已取得了辉煌的成就,但如何更合理、更高效、更精确和更方便地利用电能,仍然是需要解决的重大问题。
  电力电子技术的诞生和发展使人类对电能的利用方式发生了革命性的转变,并且极大地改变了人们利用电能的观念。在世界范围内,用电总量中经过电力电子装置变换和调节的比例已经成为衡量用电水平的重要指标,目前,全球范围内该指标的平均数为40%而到2010年将达到80%1。这就对电力电子技术提出了新的挑战。
  然而,现在电力电子技术的发展已走到了十字路口电力电子装置的复杂性与其应用的广泛性之间的矛盾越来越尖锐。一方面众多领域需要大量使用电力电子装置,而另一方面,电力电子装置面向的应用千差万别,使得设计、生产和维护需要耗费大量的人力和物力,给普及和推广造成了巨大障碍,成为电能利用技术进步的瓶颈。
  目前,国际电力电子学界普遍认为,电力电子集成技术是解决电力电子技术发展面临的障碍,进一步拓展电力电子技术应用领域的最有希望的出路。
  电力电子集成概念的提出有十余年的历史,早期的思路是单片集成,体现了片内系统(SystemOnChip-SOC)的概念,即将主电路、驱动、保护和控制电路等全部制造在同一个硅片上。由于高压、大电流的主电路元件和其它低压、小电流电路元件的制造工艺差别较大,还有高压隔离和传热的问题,故单片集成难度很大,目前仅在小功率范围有所应用,而在中大功率范围内,只能采用混合集成的办法,将多个不同工艺的器件裸片封装在一个模块内,现在广泛使用的电力电子功率模块和智能功率模块(PM)都体现了这种思想。1997年前后,美国政府、军方及电力电子技术领域的一些著名学者共同提出了电力电子积木(PowerElectronicBuildingBlock-PEBB)的概念[1~4,明确了集成化这一电力电子技术未来的发展方向,并将电力电子集成技术的研究推向高潮。
  2集成的意义
  集成技术的研究决定着电力电子技术未来的兴衰命运,这一点可以通过与电子技术发展历程的对比来认识。
  回顾电子技术发展轨迹,在以集成电路为标志的微电子技术出现以前,电子装置的设计、制造和维护也曾有相似情况。微电子技术的出现将电子设计中最主要的难点和绝大部分工作量封装在集成电路中,大大降低了装置的设计、制造和维护难度;每一个受过普通工科高等教育的工程师都可以很容易地设计出用于各自技术领域的电子装置,大大提高了生产的自动化程度。集成化极大地推广了电子技术的应用范围,使其渗透到生产和生活中的各个方面,给众多产品打上了电子技术的烙印。应用领域的拓展反过来极大地推动了该项技术自身的进步,由于得到了公众认可、资金技术和产业支持以及巨大的市场,电子技术创造出了如电脑、手机、数码照相机、MP3播放器等诸多凝结了其全部精华的技术宠儿。
  历史常有惊人的相似,并使人从中得到启迪。与30年前一样,电力电子也需要从电力电子工程师所造就的象牙塔中走出来,成为从事不同行业、具备基本技能的工程师所能驾驭的有力工具。只有这样,才能期待其更大的发展和更为辉煌的前景,而实现这一目标的途径就是集成[2]。通过集成,可以将现有电力电子装置设计过程中所遇到的元器件、电路、控制、电磁、材料、传热等方面的技术难点问题和主要设计工作解决在集成模块内部,使应用系统的设计简化,仅选择合适规格的标准化模块进行拼装即可[3]。这一革命性的技术将使现在的电力电子技术领域分化为集成模块制造技术和系统应用技术两个不同的分支,前者重点解决模块设计和制造的问题,通过多个不同学科的紧密交叉和融合,攻克电力电子技术中的主要难点;后者解决针对各种广泛而多样的具体应用将模块组合成系统的问题。随着这一技术的发展,集成模块的设计和制造技术将成为电力电子技术本身研究的主要内容,而系统应用技术则渐渐成为具备基本素质的各行业工程师所掌握和使用的一般技术他们会根据各自行业所针对的应用问题来设计和实现分散在各种装置中的电力电子系统。由此,电力电子产业也将出现分化趋势,集成模块的制造将成为该产业的主要内容,单纯的电力电子装置制造份额会逐渐减少,而更多的是渗透到其他的各个行业中去了。但这并不意味着整个产业的萎缩,相反,由于模块在各个不同领域中的广泛应用,与集成电路一样,电力电子产业将期待比现在更加蓬勃的发展。
  3集成技术的不同层次和形式
  总的来说,电力电子装置与系统的集成可以分为3个不同的层次和形式:
  3.1单片集成
  采用半导体集成电路的加工方法将电力电子电路中的功率器件、驱动、控制和保护电路制作在同一硅片上,体现了SOC单片系统的概念。这种集成方式的集成度最高,适合大批量、自动化制造,可以非常有效地降低成本,减小体积和重量,但面临高压、大电流的主电路元件和其它低压、小电流电路元件的制造工艺差别较大,还有高压隔离和传热问题。因此单片集成难度很大,目前仅在小功率范围有所应用,如TopSwitch等。随着新型半导体材料和加工工艺的进步,将来必然会向较大的功率等级发展。3.2混合集成
  采用封装的技术手段,将分别包含功率器件、驱动、保护和控制电路的多个硅片封入同一模块中,形成具有部分或完整功能且相对独立的单元。这种集成方法可以较好地解决不同工艺的电路之间的组合和高电压隔离等问题,具有较高的集成度,也可以比较有效地减小体积和重量,但目前还存在分布参数、电磁兼容、传热等具有较高难度的技术问题,并且尚不能有效地降低成本达到较高的可靠性,因此目前仍以中等功率应用为主,并正在向大功率发展。混合集成的典型例子是IPM。在某种意义上,混合集成介于集成度与技术难度之间,是根据当前技术水平所采取的一种折衷方案,具有较强的现实意义,是目前电力电子集成技术的主流方式。

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