极限温度下的电力电子技术

1957年，美国通用电气公司在晶体三极管三端、三层半导体结构的基础上发明了晶体闸流管，标志着电力电子技术的诞生。这项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%.这就对电力电子技术提出了新的挑战。

电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于一般工业，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。近年来，随着大功率电力电子装置的容量不断提升，器件的发热问题就凸现出来了。在某些温度超出室温200600K的应用环境下，如各种飞行器电路、汽车电子、地下钻井勘探和核反应堆等，电力电子开关器件和其他无源器件的散热条件开始恶化，轻则导致系统的整体效率降低、性能变差；重则有可能损坏器件，使整个系统瘫痪。此时就必须针对高温工作环境，从器件、电路结构和控制方法三个部分进行改进和优化，以适应这些恶劣的工作环境。

另一方面，随着人们对物质世界探索的不断深入，新的工作环境也不断出现。在高海拔、高炜度地区，以及外太空的探索和考察中，环境温度往往比室温要低100200K，而电力电子装置在这些低温条件下，其性能也会发生不同的变化。人们对未知世界的渴望促使着科学考察不断深入，为了配合这一趋势，低温电力电子技术的发展也必须更加深入。

本文主要介绍电力电子技术在极端温度下应用的一些技术发展和*新动态。由于电力电子涉及的范围太广泛，在此仅对研究比较深入并已经有了很多技术突破的领域进行阐述，包括：高温应用中的碳化硅器件、新型冷却和散热技术、高温无源器件和集成化电路，以及低温电力电子技术和高温超导技术。

2高低温下的功率电路器件目前绝大多数的电力电子设备工作在0100°c的温度范围内（考虑设备本身的发热），所有的电路元件以及电路的结构、控制方法等都是以这一工作范围为基础的。然而，在工作温度过高或者过低的时候，各个元件的特性都会发生不同程度的变化，这样一来，整个电路的性能也会随之变化。因此，在讨论各种新技术之前，有必要对电力电子电路中的各种器件在高低温环境下的不同表现予以说明。

首先，电力电子中标志性的而且是*重要的器件就是各种开关器件，而这些器件的性能也是受温度影响*严重的。现在高频电力电子电路中常用的MOSFET就是一种正温度系数器件，这意味着当器件温度增加时，其通态电阻要相应增加，同时高温会导致低电流。这一点在需要MOSFET并联工作时很重要，因为通过器件间良好的热通道，正温度系数可减少较热器件中的电流，并迫使电流更多地流向温度较低的器件，从而避免出现热失控。实际的MOSFET可以看成是由数千个微型功率FET单元并联工作的，由上述理论，并联单元阵列能保证器件可靠工作。但是如果MOSFET具有负温度系数，则目前的并联单元结构将引起严重的可靠性问题，实际上这种可能性是存在的。下图是IR公司生产的IRFP450的跨导曲线。

从中看出，不同温度下的跨导曲线有一个交点，当栅源电压低于这个交点电压值时，温度系数为负；而当大于交点电压时，温度系数为正。这样当MOSFET工作在饱和区的时候就有可能处于负温度系数的范围。然而在电力电子电路中，MOSFET多工作于开关状态，开关导通时的栅源电压一般都大于跨导曲线中的交点电压，因此通态电阻具有正温度系数，这样就能自动避免出现温度失控。一般来说，功率MOSFET不会出现二次击穿问题，这是它的一大优点，但在实际使用中，仍应注意留适当的裕量。

电力电子装置中*重要的无源器件当属电感、变压器等磁性元件。在传统的应用中，铁磁元件由于体积和重量大，运行时会发热，因此成为整个电路设计中的瓶颈。在高温和大容量应用情况下，随着散热条件的恶化、电感绕线中电流的增大，由电感和变压器所产生的热量就会非常大。当铁磁材料的温度升到一定程度时，铁磁材料会转化为弱磁性物质，开始转化的温度称为居里点。根据磁畴理论，当温度升高并超过居里点时，铁磁材料中的磁畴结构由于热运动而被破坏，以致完全瓦解，这时的铁磁物质转化为磁导率接近1的弱磁质，并保持不变。

因此磁性元件的设计制造就显得更为重要，没有体积小、重量轻、耐高温的铁磁元件，新型开关器件的作用就不能完全发挥出来。目前广泛使用的磁性元件，工作温度一般都不超过105C，*高也只有150C.为了提高这一温度指标，世界各国都作了很多研究：美国航空航天局Lewis研究中心研究成功了工作温度200C的逆变器；美国空军研究所也研制出了1.5kW，27028V正激变换器中的变压器，它可以在大于290C的环境中运行600h.这种变压器的铁心采用居里温度310C以上的锰锌材料，并经过反复仿真和。可以看出SiC器件在这一指标上要明显优于传统的器件。以下将分别介绍SiC器件以及这些器件的各种应用。

SiC材料在很多种类的电力电子器件中都有应用，按器件种类可分为三类：①SiC肖特基二极管是目前技术比较成熟的SiC电力电子器件，其结构如所示。它在关断时几乎没有反向恢复电流，在3003000V、开关频率高于50kHz的应用场合格外有吸引力。市场上已经有600V/6A等级的产品供应。②SiCMOSFET在结构上和传统的硅器件区别不大，但是由于SiC半导体的击穿场强很高，2000年采用4H-SiC已经实现阻断电压2000V以上，*高可达7000V的报道，并且其通态阻抗比硅器件低250倍。③此外SiC还可以制成阻断电压很高的双极器件，如高压pin二极管和晶闸管等。*近对SiC晶闸管的研发活动开始向GTO集中，2000年已经有阻断电压3100V，50C时关断增益仍高达41的4H-SiCGTO的报道。

由于SiC器件在击穿电压、通态电阻、开关频率和器件容量等多方面均优于目前传统的硅器件，在制造技术进一步完善和成本进一步降低的基础上，SiC器件完全可以取代目前所有的硅器件，并且有望在航空航天、高温辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子化等方面发挥重要作用。就航空航天来说，高性能军事飞行装备、喷气式飞机、民用飞机都需要能够承受高温工作的传感器、电子控制器、电力电子器件，以提高飞行器的可靠性，消除冷却装置，减轻重量。下一代涡轮控制系统要采用在350C高温下工作的电子装备，另外，高温电力电子器件也是民用飞机所急需的。高温辐射环境包括核反应堆、制备氚系统装置、核废物存储装置等这些环境温度常常高达几百度，并受到7射线和中子辐照，这些都需要耐高温、耐辐射的电子系统。此外，大功率相控阵雷达主要受热耗散的限制，SiC功率器件有望能解决这一难题。

可以看出，新型的SiC器件具有耐高温、大容量、低损耗、高频率等突出特点，应用前景非常广泛，但是目前还有许多问题亟待解决，特别是器件可靠性问题，要走入市场，实现实用化，预计还要有一段时间。

4新型冷却和散热技术随着电力电子元器件容量不断增加、频率不断提高，器件发热的问题就凸现出来了。特别是在一些高温的应用场合，如果没有适当的散热措施，就可能使器件的温度超过所允许的*高结温，从而导致器件性能的恶化以致损坏。所以在电路设计中，选择适当的冷却和散热方式并合理地进行设计是使器件的潜力得到充分发挥，提高电路可靠性不可缺少的重要环节之一。电力电子器件散热设计的基本任务是根据传热学原理，为器件设计一个热阻尽可能低的热流通路，使器件发出的热量尽快地散发出去，从而保证器件运行时，其内部的结温始终保持在允许的温度范围之内。以下将按照设备结构设计和冷却介质的不同介绍几种常用的散热技术。

长期以来，利用空气冷却是*简便易行的方法，应用非常广泛。从冷却形式上，可以将空气冷却分为自冷式和强迫风冷两种。自冷式即为传统的加装散热器方式，虽然散热的效率很低，但是它具有结构简单、无噪声、维护方便，特别是没有旋转部件，可靠性高，适用于额定电流20A以下的器件或简单装置中的大电流器件。与之相反，强迫冷却方式主要是指配备风机的散热装置，可以胜任额定电流50500A的大容量场合，但是噪声大、可靠性低、维护困难阻碍了这种方法的发展。

对于上述的空气冷却方式，增加翅片散热的表面积，加大风量可降低对流热阻和空气温升热阻。然而此举与降低传导热阻正好矛盾。因此传统散热器是在有限的传导热阻之中取尽可能大的散热面积。而使用热管可以解决这一矛盾。热管是一个密闭封焊的蒸发冷却器件，由密封管、吸液芯和蒸汽通道组成，利用充在其中的工作液体的循环作用将热量传导并散发。热管诞生于1963年，并迅速应用于人造卫星上，但是由于成本太高，始终不能广泛使用。当前，随着电力电子装置高频化、小型化的趋势以及热管散热器的价格降低，将热管散热器用于功率电路的前景非常广阔。

如果在高温下应用电力电子装置，那么传统的散热方式就不能满足越来越严格的散热要求。因此，针对大容量、高工作温度的应用场合，提出了液态冷却。根据。

标准模块硬件管理器应用管理器世界各国对于集成化电力电子技术的研究已经非常深入，并取得了很多进展：德国EUPEC公司开发了中等功率传动用IGBT模块，模块的基板上内置电流取样电阻，可测得35kW等级逆变器的电流；德国Semikron公司于1996年开发了MiniSKp型CIB（整流、逆变、制动斩波）模块，并已经推向了市场；2002年，Semikron又推出新一代MiniSKp-型CIB模块，使用当今前沿的芯片封装技术，改善热阻、减小尺寸，为了适应高温环境，模块内还集成了温度传感器，以检测模块内温度；美国PowerIntegration公司推出的三端离线式PWM开关TOPSwitch是一种高频开关电源专用模块，2002年已经开发了第四代产品TOPSwitch-GX，其特点是外围电路简单、成本低廉。可以看出，当前的电力电子产品正逐步向模块化、集成化方向发展，以适应不断变化的应用环境，特别是航空航天，恶劣地质环境等的应用。

虽然模块化的功率电路可以简化电路设计、降低制造成本，但是随之而带来的问题也是比较突出的：随着输出功率的提高和装置体积的减小，功率密度被极大地提高，导致整个装置的发热量激增，导致稳定性下降、效率降低、故障率上升。此时传统的风冷和液体冷却技术已经远不能满足新装置对于散热的要求，因此有着更加紧凑的结构和散热效率的热电模块（TEM）出现了。

应用于电力电子模块中的热电模块是一个固态能量转换器，其基本作用是遵循Peltier效应，利用电能来传递热量。具体来说，其工作原理如下：一个基本的热点转换器是由一系列N型和P型热电偶交替组成的，并是在电路上串联的。由两块陶瓷膜片将这些单元夹在中间，这种陶瓷材料可以做到对电绝缘同时导热性能良好。当在TEM两端施加正电压时，电子由N区移动到P区，电势降低并释放热量；相反，当TEM两端施加负电压时，电子反方向移动，电势升高并吸收热量。基于这个原理，就可以通过对TEM施加不同的直流电压来控制模块两端的热量。在应用于电力电子模块时，可以给TEM加上合适的直流电压，使模块内部的高温区和环境温度形成的温差尽可能低，将内部过多的热量通过TEM散发到周围环境中去。

目前TEM已经广泛应用于制冷或者需要精确控制温度的场合。它的热动力学效率比传统的电阻加热器要高得多。但是TEM也存在着一些问题，如需要低电压大电流的直流电源、温度的可调范围有限、价格还比较昂贵。从长远来看，TEM由于结构紧凑，散热效率高，是大功率电力电子模块散热的**方案。

6低温电力电子在高温下，电力电子装置会因为散热条件恶化而导致性能不稳定甚至损坏。相比之下，在低温的工作环境中，由于功率开关器件的通态阻抗会显著减小，其开关损耗也会随之减小，再加上低温有利于器件热量的散发，因此整个装置的效率、瞬态响应和功率密度都会比现在高温和室温下的装置有很大的提高。由于高温超导体（HTS）是低温领域*热门的新材料，本节主要讨论工作在低温环境下的电力电子装置的一些特性。

目前随着电力电子技术深入到各个领域，在很多低温场合出现了它的身影。例如在海洋深处进行地质考察、生物种群研究、石油勘探，以及在高海拔、高炜度地区进行的科学考察，这些工作环境的温度基本上在-800C之间。在这些工作场合的电力电子设备有各种科学考察器、深海潜艇和极地舰船的动力装置，以及在这些地区的发电设备等。

由于上述原因，在低温下，这些电力电子装置的散热条件很好，有时甚至不需要借助于附加的散热装置就可以稳定地工作。但是当前研究*为广泛和深入的低温应用当属外太空环境中的各种装置，它们的工作环境是地球表面所没有的，通常的工作温度在-200-100C之间，此时器件和电路的特性都和地表的情况有所区别。

航空电力电子系统大多数都可以看作是一个由电力电子变换器、太阳能电池阵列和直流配电网络构成。利用直流一直流和直流一交流变换器为不同功率等级的负载提供电能。现在已经在使用中的航空电力系统的应用有国际空间站（ISS）、飞行器和卫星动力系统、伺服系统，以及各类太空飞船，包括外层空间探测器、行星登陆车和一些行星表面探测器。电力电子器件和装置在执行太空任务，尤其是外层空间和宇宙深处探测的应用中，由于环境温度非常低（见表2），必须保证很高的效率和稳定性。

表2太空飞船的典型工作温度任务温度/C火星木星土星天王星海王星冥王星美国宇航局实施的土星光环探测计划，各种电子装置的工作温度约为-183C.当前，部分工作在这些低温环境的宇宙飞船上采用放射性同位素加热装置（RHU）来维持飞船内电力电子装置的工作温度为20C左右，同时RHU的正常工作还需要其它设备来配合完成，而且即使在整个装置的温度很高的时候，RHU仍然会加热，这就需要一个温度控制系统来调节工作温度。因此，如果这类航空电力装置可以直接在超低的环境温度中工作的话，就能去掉RHU以及相关的装置和温度控制系统。这样一来，整个装置的尺寸和重量都可以大大减小，系统开发和发射的成本也能降低，同时装置的可靠性和寿命都能得到提高。

和Mukhopadhyay等人相继发现，在各种开关器件中，绝缘栅MOSFET*具有低温应用的发展前景。1994年，这些科学家的研究报告指出，工作在环境温度77K时的MOSFET具有低通态电阻、快速开通关断、较低的二极管反向恢复电流、器件体积小、较高的半导体材料导热性等优点。

与此相比，电阻、电容、电感和变压器等传统的无源器件虽然也能在低温下工作，但是各自的特性发生了不同的变化。金属膜电阻能够在低温下正常工作，然而电容器就不同了：电解液电容器的电解液会凝固，使电容失去作用；而聚丙烯和聚苯乙烯电容则会表现为耐压值升高和损耗降低；聚酯电容虽然也能正常工作，但是电容值会有很大变化。目前，已经有一种陶瓷电容可以工作在环境温度77K，而且直流耐压值超过2000V，被称作低温超电容（CHC）。传统的铁氧体和坡莫合金材料磁性元件可以工作在77K，但是其损耗和室温环境下相比几乎没有变化，因此目前亟待发现具有低损耗和适当磁导率的低温铁磁材料。

和NASALewis研究中心的研究人员指出，低温电力电子应用的两大核心问题是高温超导体器件和低温半导体开关技术。目前他们已经研制成功了使用定制的超导体电感和其他元件组成的直流变换器，和可以适应低温大电流负载的高电子迁移率晶体管开关。

7高温超导体（HTS）早在1911年荷兰莱顿实验室的KamerlinghOnnes发现超导体后，人们就期待超导体能很快地在电力技术中得到应用。直到上世纪60年代，实用的非理想第类超导体NbTi和Nb3Sn陆续被发现后，超导电力技术的研究开发才得以广泛地开展，各种超导电力设备的概念设计方案和试验原形样机相继问世。20世纪80年代初，低交流损耗的极细丝复合多芯NbTi超导材料研制成功后，超导电力技术的研究开发再次活跃起来。1986年，IBM瑞士研究中心的。G.Bednorz和K.A.Mueller发现了La系高温超导材料。随后的两年里，Y系、Bi系和Tl系高温超导材料（临界温度为85125K）相继被发现。高温超导设备可以在液氮温度运行（77K），与低温超导设备相比（运行于液氦温度4.2K）不仅运行成本大大降低，而且磁一热稳定性大大提高。但是作为一种陶瓷材料，高温超导体并不像NbTi超导材料那样容易制成具有载流能力很高的柔软导线，直到上世纪90年代中后期，实用高温超导带材的制备才取得了重大进展。用超导电力技术中比较重要的高温超导复合导线举例来说：目前，采用PIT制备长1.02.0km的Ag基Bi系多芯复合导线的技术已经比较成熟。工程电流密度（；）Bi系多芯复合导线开始商品化，售价为200300美元/kA，m.表3为国际上主要制备高温超导带材的单位及技术水平。

表3国际主要研制HTS带材的单位及技术水平单位技术水平美国超导公司丹麦北欧超导德国真空冶炼曰本住友电气澳大利亚超导公司（AST）中国西北有色金属研究院北京英纳超导技术公司超导材料现在已经深入电力技术的各个层面，在传输线电网、电力电子器件和电路、电力传动等领域都有广泛应用，以下将就其中发展比较迅速的应用领域进行介绍。

高温超导体变压器：与常规变压器相比，HTS变压器具有总损耗小（为常规的30°%）、质量轻（45°%）、总成本低（80°%）、体积小、过载能力强、无油运行可避免火灾和环境污染问题，运行阻抗小，有限流功能，降低故障冲击，改善电网电压稳定性等等优点。至今研制规模*大的样机来自ABB公司和美国威斯康星的Woukasha，ABB合作研制的三相630kVA（18.7kV/420V）变压器，已在日内瓦电网中运行1年；目前能源部又资助1100万美元，由ABB的美国伙伴为美国公用事业研究、制造、安装、试验接近10MVA的第二套装置，估计对30MVA以上的变压器，1年可有30亿美元的市场。

：SMES可改进电源质量和可靠性，提高电网能力，可用于均衡电力负载，对电源的不同要求可迅速连续作出响应，不降低电源质量。在EUCAS99会议上，以色列报道了储能60（77K）和130（64K）的装置；芬兰和德国报道了运行在20K储能5k的装置。另一种是飞轮储能装置，利用Y系块材与永磁铁做的磁浮无摩擦轴承，这也是研究的热点。与其他储能方式比，其优点在于：高的储能密度（约30倍），较低的制冷成本和寿命循环成本（比电池基UPS系统低5倍）。美国（休斯顿和波音）、欧洲（德国、法国和西班牙；芬兰和德国；英国）和日本（CHUBU电工和三菱重工），都有项目在进行。其中波音公司已发展了可用于宇航着陆的小型飞轮储能装置，储能几百瓦小时；欧洲联合研究的项目为“磁悬浮和能量转换用MTGYBCO材料”，芬兰和德国的装置储能达300Wh，英国等研究了15kWh的试验系统；日本研制的模型系统储能已达1.4kWh，用了9块直径60mm的YBCO，飞轮用碳纤维增强塑料（CFRP）制作，转速达21000r/min，目前正在研究10MWh的样机。

1996年，美国电力研究所在美国能源部的支持下和Pirelli电缆公司及Southwire公司采用ASC的Bi-2223/Ag带状导线研制出长30m、115kV、2kA的三相交流高温超导电缆模型，其目标是研制1km的高温超导电缆。Southwire公司已在其总部安装一根试验用的长30m、12.5kV、1.25kA的三相交流高温超导电缆，该电缆已累计满负荷运行3000h以上。Southwire在2001年1月在公司内开始使用**个工业高温超导输电系统，该系统使用3条30m长的超导电缆，连续1.27万小时向下属3座工厂输送电力。美国底特律的爱迪生电力公司现已铺设了3条各120m长超导电缆，可向该市中心1.4万户居民供电。在欧洲，2001年5月，丹麦哥本哈根市在电网上使用了一条30m的高温超导电缆，现正向15万居民供电。2002年，巴黎电力公司的一些用户也通过高温超导电缆获取电力。

目前超导电力技术走向产业化已经不是能否实现的问题，而是用多久实现的问题。结合高温超导技术、电力电子技术和现代控制技术而形成的有源超导限流器、超导储能系统和超导限流一储能系统将首先实现产业化。但是超导电力技术的大规模应用还有赖于在以下两个方面取得突破：―是制备低成本、低损耗、机械性能良好的高温超导线材；二是提高低温系统和制冷系统的长期运行可靠性，降低其造价和运行维护的费用。

8结论本文从几个侧面回顾了现代电力电子技术在高温和低温应用场合的主要方向和发展新动向。总的来说，电力电子技术所涉及的应用领域越来越广泛，并且开始向高海拔、极地甚至外太空等特殊的工作环境拓展。在这些极端的应用场合，高温和低温对电力电子系统的影响上升到首要的位置。因此，为了进一步扩展人类的生存空间、探询尚不为人所知的科学发现，就必须从功率器件，电力电子电路和控制方法等多方面进行更为深入的研究。