下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
电力电子变换器（以下简称变换器）是进行电能变换和控制的装备，其核心是通过功率半导体器件的开关来实现不同形式电压和电流的变换与控制。高功率密度是电力电子变换器长期以来追求的重要目标之一。功率密度指的是单位体积内的变换器功率大小。提高功率密度可以使同样功率等级的变换器有更小的体积，换言之，可以让同样体积的变换器拥有更大的功率。变换器功率密度的提升主要驱动力是功率半导体器件、拓扑及控制、电力电子集成等技术的进步，其中功率半导体器件的发展进步是变换器功率密度提升最为基础的核心动力。如图1-1所示为半导体器件的发展历程，从20世纪50年代硅基晶闸管的出现，到七八十年代硅基MOSFET、IGBT的出现，再到21世纪宽禁带器件（如碳化硅/氮化镓基MOSFET）日益广泛的应用，功率半导体器件已具备功率等级从几瓦到几兆瓦、开关频率从Hz到MHz的宽阔能力，特别是MOSFET、IGBT的发明及进步不断推升了器件的开关速度和频率，从而不断减少变换器对磁性及容性元件存储能量的要求，进而减小感值及容值，最终降低对变换器体积有重要影响的电感及电容体积，提高功率密度 [1] 。可以说，高频化一直是变换器重要的发展方向之一，其主要目的是为了减小变换器体积重量，提高功率密度。
20世纪早期，半导体器件尚未普及，电子电路的主要器件，如二极管、三极管等都是真空管，电子设备体积大、成本高、可靠性低，难以处理高的能量。随着20世纪40年代半导体器件的出现，特别是50年代晶闸管的出现，高效的电能变换与控制装置出现在历史舞台，相比之前的真空管，此时装置体积大幅减小，处理能量等级大幅提升。从50年代到80年代，晶闸管、门极关断（Gate Turn-off Transistor，GTO）晶闸管、双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）等器件性能的不断进步对电力电子变换器发展起到至关重要的作用，并催生了电力电子学科的诞生。20世纪80年代，金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的出现，开启了变换器发展的新纪元。相比之前的BJT，以MOSFET和IGBT为代表的MOS基器件在通态、动态、可控性和短路能力等电气特性上都有优异表现，可大幅提升变换器效率和开关频率。同时，为了充分发挥MOS基器件的特性，研究人员不断提出新的电路拓扑和控制策略，以实现更高的效率、更好的动态特性以及更高的功率密度。MOSFET的应用首次将变换器开关频率提升至100kHz范围，大幅降低了消费类与计算类电子设备电源的体积。不过，最初的MOSFET通态电阻受到掺杂浓度和漂移区厚度的影响，耐压等级受限，主要在600V以下。相对应地，IGBT则因其内部半导体结构所带来的电导调制效应，可以在更高的电压等级实现低通态压降，使得其在更高电压等级广泛应用，如不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、电力牵引、工业变频等。随着人们对变换器功率密度提升需要的不断增强，MOS基器件在2000年前后仍然向着更高开关频率、更强鲁棒性不断发展进步。通过载流子补偿机制和超结（Super Junction，SJ）结构，单极性的MOSFET可在保持优异的通态压降前提下将耐压提升至900V，开关频率得到进一步提升。对于IGBT，通过沟槽栅场终止结构，可以同时降低通态压降，并提升动态性能，进而提升开关频率。通过上述技术进步，变换器开关频率提升至1MHz范围。随着变换器开关频率从80年代几十kHz提升到2000年前后的MHz，变换器体积大幅减少，功率密度大幅提升，比如通信电源领域，功率密度提升了近10倍 [2-3] 。
图1-1 功率半导体器件的发展历程 [ 2 ]
为了进一步提升变换器开关频率以提升功率密度，同时为了突破硅基器件所带来的变换器效率、温度等极限，基于宽禁带（Wide Bandgap）材料的功率半导体器件近20年受到了广泛关注，在国内，它们甚至被称为第三代半导体器件。宽禁带半导体材料指的是禁带宽度在2.3eV及以上的半导体材料，见表1-1。
表1-1 典型宽禁带半导体材料与硅材料特性的具体数值对比
目前在变换器中已普遍应用的宽禁带半导体材料是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。此外，金刚石、氧化镓等超宽禁带材料具备超高的耐压、抗辐射等性能，其在电力电子器件中的应用也开始受到关注，但仍处于早期研发阶段。相比于传统的硅材料，宽禁带半导体材料具有更高的电子饱和漂移速度、击穿电压、工作温度、热导率等性能，因此相较于硅器件，宽禁带器件具备更高的开关速度、工作频率、效率、耐压、温度、抗辐射能力等特性。在宽禁带器件诸多优点中，相对硅器件成数量级水平提升的开关速度与工作频率是其被提出的主要原因，虽然目前宽禁带器件开关速度和频率优势只是被部分利用，但已经在很多应用领域展示了优越性能。比如，对于屋顶光伏应用，大部分基于Si IGBT的逆变器功率密度小于0.38kW/kg（屋顶光伏逆变器产品对单位功率有强制要求），而参考文献[4]研制了一款基于SiC MOSFET的50kW逆变器，功率密度达到1kW/kg。再比如，对于UPS，参考文献[5]展示了分别基于Si和SiC器件的同样功率等级装置，结果显示基于SiC的UPS G2020比基于Si的G9000体积小17%。参考文献[6]展示了一款全SiC机车牵引逆变器，与已有的Si基装置相比，逆变器体积和重量分别减少55%和35%。参考文献[7]早在2013年已展示了通过用SiC MOSFET替代Si IGBT，电动汽车主驱逆变器体积和重量可分别降低35%和40%，目前全SiC MOSFET电动汽车主驱已在特斯拉汽车中广泛应用，并带动国内相关车厂推出相应产品。对于车载充电机（On Board Charger，OBC），通过使用SiC器件提升系统开关频率以提高功率密度的效果就更为明显。参考文献[8]展示了一个6kW的OBC，通过使用SiC器件，可以使系统以95%的效率工作在250kHz，相比Si器件，功率密度提升了10倍。尽管已有研究及产品已经展示通过使用宽禁带器件带来功率密度提升优势，但器件理论上的高速高频特性还远没有被发挥，如果它们的动态特性得以充分发挥，变换器的功率密度仍有显著的提升空间。
综上可见，功率半导体器件的进步，特别是功率器件开关速度和工作频率的提升，是变换器功率密度提升的基础核心动力。不过，随着开关频率越来越高，高频化变换器也面临一系列的挑战。首先，高d i /d t 会给功率器件以及系统各处的寄生电感上带来电压尖峰，造成元器件击穿故障；高d u /d t 会在系统各处（如驱动与控制电路之间、线缆与负载间、互连焊盘间等）的寄生电容上产生位移电流，干扰元器件及电路的正常工作。其次，门极回路的寄生电感，也容易在高速开关下给器件开关带来振荡，导致误开关。再次，高速和高频变换器系统的电磁干扰（Electromagnetic Interface，EMI）问题更加恶劣。最后，高频磁元件的绕组和磁心损耗（可用磁元件寄生电阻来等效）大幅提升，开发更低损耗的磁心材料和设计更低损耗的高频磁元件结构也至关重要。高频化变换器面临的以上挑战根本原因之一便是装置中存在的寄生参数，下一节将详细介绍寄生参数的概念以及变换器中主要寄生参数已有的分析与建模方法。