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电力电子创新与下一代先进电力设备 摘要： 新一代电力设备近几年的研究已经取得显著进步，特别是在宽带隙晶体电力设备方面，像碳化硅和氮化镓的设备作为新颖的硅设备像一个超级结FET。　PCE的小功率转换器开关电源供应1970年初是在60%现在超过90%宽的带隙半导体材料显示未来的电力电子技术的进步电力电子技术的创新可能性　　新一代先进的电力设备电力电子技术的创新可能性新一代先进的电力设备聚焦到一个进在输出功率密度(百分之) 新指标未来电力电子路线图A）电力设备的发展 如图Fig.1所示，随着硅技术的进步，功率半导体设备已经取得显著的发展。发展的历史可以被分为三个阶段。第一阶段是从1950年到1960年是孕育阶段。半导体设备包括电力设备的关键技术在这一阶段几乎形成。第二阶段是从1970年到1980年末，可以叫做成长阶段。作为快速发展的主要结果，例如MOSFET，IGBT的，GTO和轻的设备触发晶闸管，每一个需要电源转换要求，基本满意出场这些设备。第三阶段是从1990年初到现在，是完全成长阶段。大力度实现更高的性能的设备在进行。导通电阻阻断电压的MOSFET，比几十伏时减少十五分之一。一个10兆瓦级的IGBT变流器是目前市售作为IGBT与更低的功耗和更高的处理能力能力的了不起的进步的结果。100兆瓦级GTO逆变器现在也是在市场。 （B）一个新品质因数的电力电子 PCE已被用作主要的品质因数（FOM），这表明电力电子设备的进步。如图Fig.2所示在过去的30年，随着电力设备的发展PCE一直在持续增长。如图行所示，最近的发展似乎是饱和的，接近100%。功率转换器有许多技术问题需要提高，除了pce像尺寸，功耗，低噪音，低EMI EMC，低谐波振荡器和遥感。然而然而，没有任何的技术问题是适合作为一个总体指标，表示未来在电力电子技术的进展。我们需要有一般FOM和未来电力电子技术路线图。作为一个新的，我们采取门诊一般FOM，而不是PCE，在这里OPD被定义作为一个转换器的每单位体积的率。 图3显示出了OPD在在电力电子中的进展。OPD在过去30年呈直线增长。现在OPD已经到了1w/cm3至3w/cm3的水平。带着50左右OPD的换流器正在被研究。通过在图3中的路线图，20至30的OPD将会在2015年左右出现。在Takahashi模型中，几乎理想的设备特性都假定在能耗、操作温度和开关频率下的研究。新的应用将会是什么？在不久的将来需要哪种OPD？实现高品质OPD的关键技术将会在下章讨论到。 2.2 关键的技术问题 实现的OPD较高装置尺寸减小电源转换器。有两个主要的因素，影响电力电子装置的大小。它们是一个散热器的尺寸和无源元件，如电容器和电感器。为了减少热量的大小水槽和一个转换器的无源元件，它是非常重要的实现更低的功耗，保持较高的开关频率。功耗和切换频率将讨论在未来的OPD中。 (A)能量功耗 图4显示了能量损耗和开关电源供应值得关系。正如图中所示的，表示转换器的功率消耗，更低的功耗，更高的OPD，OPD成倍增加与死亡。有趣的是，提及的是上面提到的高桥模型的OPD是在同一图中的外推线。作为功率器件消耗超过转换器的总功耗的60％左右，降低的节拍保持较高的频率的功率器件的功耗是要解决的关键问题。 （B）开关频率 开关频率是实现高品质OPD的另一关键因素，OPD的增加主要来自减容的电容和电感，以及一个散热片的尺寸减小，因为音量被动元件是开关频率成反比。根据调查结果为DCDC转换器的情况下，随着开关频率的增加，OPD增加对数刻度。如图3所示，OPDW/cm3到30W/cm3将预计在2015年后。这是必须使频率大于今天超过20w/cm3为更高的OPD转换器的5到10倍。因为它是必要同时实现开关频率的增加和降低功耗，最大的问题，实现了更高的OPD在未来，是高速，超低损耗功率器件的发展。在接下来的部分，先进的功率器件的未来发展趋势进行评估。 3.0新一代先进的电力设备 如前所述，最重要的关键技术高OPD电力电子系统将高速，超低损耗的功率器件和相关技术的实际使用。两个技术趋势正在进行突破的移动设备的限制。它们是一种新型的移动设备的结构和宽禁带半导体器件。在本节中，下一代先进的功率器件要讨论的，结合的可能性高的OPD转换器，专注于宽带半导体器件以及结构新颖设备。 3.1新结构设备 新颖结构的装置，如一个超级结（SJ）和浮动结（FJ）设备已经开发出来。一个设计的设备的概念降低最大电场各地通过引入三维PN结在活性层的结构。比例与条纹宽度的减少，可以降低导通电阻保持堵电压。现在，一个600伏的SJ-MOSFET的导通电阻小于常规MOSFET的1/3的商业可用。 600V的SJ-MOSFET的导通电阻小于26的被报道。在商业上可用的60