電力電子器件的發(fā)展概況

1、現(xiàn)代的電力電子技術(shù)無(wú)論對(duì)改造傳統(tǒng)工業(yè)(電力、機(jī)械、礦冶、交通、化工、輕紡等)，還是對(duì)新建高技術(shù)產(chǎn)業(yè)(航天、激光、通信、機(jī)器人等)至關(guān)重要，從而已迅速發(fā)展成為一門(mén)獨(dú)立學(xué)科領(lǐng)域。它的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)工業(yè)部門(mén)，毫無(wú)疑問(wèn)，它將成為本世紀(jì)乃至下世紀(jì)重要關(guān)鍵技術(shù)之一。近幾年西方發(fā)達(dá)的國(guó)家，盡管總體經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)速度較慢，電力電子技術(shù)仍一直保持著每年百分之十幾的高速增長(zhǎng)。從歷史上看，每一代新型電力電子器件的出現(xiàn)，總是帶來(lái)一場(chǎng)電力電子技術(shù)的革命。以功率器件為核心的現(xiàn)代電力電子裝置，在整臺(tái)裝置中通常不超過(guò)總價(jià)值的 20%30%,但是，它對(duì)提高裝置的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)性能，卻起著十分重要的作用。眾所周

2、知，一個(gè)理想的功率器件，應(yīng)當(dāng)具有下列理想的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性：在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)能承受高電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，具有大電流和很低的壓降；在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，具有短的開(kāi)、關(guān)時(shí)間，能承受高的di/dt和dv/dt,以及具有全控功能。自從 50 年代，硅晶閘管問(wèn)世以后，20 多年來(lái)，功率半導(dǎo)體器件的研究工作者為達(dá)到上述理想目標(biāo)做出了不懈的努力，并已取得了使世人矚目的成就。60 年代后期，可關(guān)斷晶閘管GTO 實(shí)現(xiàn)了門(mén)極可關(guān)斷功能，并使斬波工作頻率擴(kuò)展到1kHz 以上。 70 年代中期，高功率晶體管和功率MOSFET 問(wèn)世，功率器件實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)控功能，打開(kāi)了高頻應(yīng)用的大門(mén)。80 年代，絕緣柵門(mén)控雙極型晶體管(IGBT) 問(wèn)世，

3、它綜合了功率MOSFET 和雙極型功率晶體管兩者的功能。 它的迅速發(fā)展，又激勵(lì)了人們對(duì)綜合功率MOSFET 和晶閘管兩者功能的新型功率器件 - MOSFET 門(mén)控晶閘管的研究。因此，當(dāng)前功率器件研究工作的重點(diǎn)主要集中在研究現(xiàn)有功率器件的性能改進(jìn)、MOS 門(mén)控晶閘管以及采用新型半導(dǎo)體材料制造新型的功率器件等。下面就近幾年來(lái)上述功率器件的最新發(fā)展加以綜述。功率晶閘管的最新發(fā)展1超大功率晶閘管晶閘管(SCR)自問(wèn)世以來(lái)， 其功率容量提高了近3000倍?，F(xiàn)在許多國(guó)家已能穩(wěn)定生 產(chǎn) ?mm、 8kV / 4kA 的晶閘管。日本現(xiàn)在已投產(chǎn)8kV / 4kA 和 6kV / 6kA 的光觸發(fā)晶閘管(LTT)

4、。美國(guó)和歐洲主要生產(chǎn)電觸發(fā)晶閘管。近十幾年來(lái)，由于自關(guān)斷器件的飛速發(fā)展，品閘 管的應(yīng)用領(lǐng)域有所縮小，但是，由于它的高電壓、大電流特性，它在HVDC 、靜止無(wú)功補(bǔ)償( SVC) 、 大功率直流電源及超大功率和高壓變頻調(diào)速應(yīng)用方面仍占有十分重要的地位。預(yù)計(jì)在今后若干年內(nèi)，晶閘管仍將在高電壓、大電流應(yīng)用場(chǎng)合得到繼續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)在，許多生產(chǎn)商可提供額定開(kāi)關(guān)功率 36MVA ( 6kV/ 6kA )用的高壓大電流GTO。傳統(tǒng) GTO的典型的關(guān)斷增量?jī)H為 35。GTO關(guān)斷期間的不均勻性引起的 擠流效應(yīng)”使其在關(guān)斷 期間dv/dt必須限制在5001kV/ 為此，人們不得不使用體積大、昂貴的吸收電路。另外 它的門(mén)

5、極驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜和要求較大的驅(qū)動(dòng)功率。但是，高的導(dǎo)通電流密度、高的阻斷電壓、阻斷狀態(tài)下高的dv/dt 耐量和有可能在內(nèi)部集成一個(gè)反并二極管，這些突出的優(yōu)點(diǎn)仍使人們對(duì)GTO感到興趣。到目前為止， 在高壓(VBR > 3.3kV )、大功率(0.520 MVA)牽引、工業(yè) 和電力逆變器中應(yīng)用得最為普遍的是門(mén)控功率半導(dǎo)體器件。目前，GTO的最高研究水平為6in、6kV / 6kA以及9kV/10kA。為了滿(mǎn)足電力系統(tǒng)對(duì)1GVA以上的三相逆變功率電壓源的需要， 近期很有可能開(kāi)發(fā)出10kA/12kV 的 GTO， 并有可能解決30多個(gè)高壓GTO 串聯(lián)的技術(shù)，可望使電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方面

6、再上一個(gè)臺(tái)階。2脈沖功率閉合開(kāi)關(guān)晶閘管該器件特別適用于傳送極強(qiáng)的峰值功率（數(shù)MW）、極短的持續(xù)時(shí)間（數(shù) ns）的放電閉合開(kāi)關(guān)應(yīng)用場(chǎng)合，如：激光器、高強(qiáng)度照明、放電點(diǎn)火、電磁發(fā)射器和雷達(dá)調(diào)制器等。該器件能在數(shù)kV 的高壓下快速開(kāi)通，不需要放電電極，具有很長(zhǎng)的使用壽命，體積小、價(jià)格比較低，可望取代目前尚在應(yīng)用的高壓離子閘流管、引燃管、火花間隙開(kāi)關(guān)或真空開(kāi)關(guān)等。該器件獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)是：門(mén)-陰極周界很長(zhǎng)并形成高度交織的結(jié)構(gòu)，門(mén)極面積占芯片總面積的90%，而陰極面積僅占10%；基區(qū)空穴-電子壽命很長(zhǎng)，門(mén)-陰極之間的水平距離小于一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度。上述兩個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確保了該器件在開(kāi)通瞬間，陰極面積能得到10

7、0%的應(yīng)用。此外，該器件的陰極電極采用較厚的金屬層，可承受瞬時(shí)峰值電流。3.新型 GTO 器件 -集成門(mén)極換流晶閘管當(dāng)前已有兩種常規(guī)GTO 的替代品:高功率的IGBT 模塊、 新型 GTO 派生器件 -集成門(mén)極換流 IGCT 晶閘管。 IGCT 晶閘管是一種新型的大功率器件，與常規(guī)GTO 晶閘管相比，它具有許多優(yōu)良的特性，例如，不用緩沖電路能實(shí)現(xiàn)可靠關(guān)斷、存貯時(shí)間短、開(kāi)通能力強(qiáng)、關(guān)斷門(mén)極電荷少和應(yīng)用系統(tǒng)（包括所有器件和外圍部件如陽(yáng)極電抗器和緩沖電容器等）總的功率損耗低等。在上述這些特性中，優(yōu)良的開(kāi)通和關(guān)斷能力是特別重要的方面，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，GTO的應(yīng)用條件主要是受到這些開(kāi)關(guān)特性的局限。眾所

8、周知，GTO 的關(guān)斷能力與其門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的性能關(guān)系極大，當(dāng)門(mén)極關(guān)斷電流的上升率（diGQ/dt）較高時(shí)，GTO晶閘管則具有較高的關(guān)斷能力。一個(gè)4.5kV/4kA 的 IGCT 與一個(gè) 4.5kV/4kA 的 GTO 的硅片尺寸類(lèi)似，可是它能在高于6kA的情況下不用緩沖電路加以關(guān)斷，它的 diGQ/dt高達(dá)6kA/叱s對(duì)于開(kāi)通特性，門(mén)極開(kāi)通電流上升率（ diG/dt） 也非常重要，可以借助于低的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的電感比較容易實(shí)現(xiàn)。IGCT之所以具有上述這些優(yōu)良特性，是因?yàn)樵谄骷Y(jié)構(gòu)上對(duì)GTO 采取了一系列改進(jìn)措施。圖1是 IGCT 管餅和芯片的外形照片，芯片的基本圖形和結(jié)構(gòu)與常規(guī)GTO 類(lèi)似，但是它

9、除了采用了陽(yáng)極短路型的逆導(dǎo)GTO 結(jié)構(gòu)以外，主要是采用了特殊的環(huán)狀門(mén)極，其引出端安排在器件的周邊，特別是它的門(mén)、陰極之間的距離要比常規(guī)GTO 的小得多，所以在門(mén)極加以負(fù)偏壓實(shí)現(xiàn)關(guān)斷時(shí)，門(mén)、陰極間可立即形成耗盡層，如圖 2 所示。這時(shí)，從陽(yáng)極注入基區(qū)的主電流，則在關(guān)斷瞬間全部流入門(mén)極，關(guān)斷增益為1， 從而使器件迅速關(guān)斷。不言而喻，關(guān)斷 IGCT時(shí)需要提供與主電流相等的瞬時(shí)關(guān)斷電流，這就要求包括IGCT 門(mén)陰極在內(nèi)的門(mén)極驅(qū)動(dòng)回路必須具有十分小的引線(xiàn)電感。實(shí)際上，它的門(mén)極和陰極之間的電感僅為常規(guī)GTO 的 1/10。IGCT 的另一個(gè)特點(diǎn)是有一個(gè)極低的引線(xiàn)電感與管餅集成在一起的門(mén)極驅(qū)動(dòng)器。IGCT

10、用多層薄板狀的襯板與主門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路相接。門(mén)極驅(qū)電路則由襯板及許多并聯(lián)的功率MOS 管和放電電容器組成。包括IGCT 及其門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路在內(nèi)的總引線(xiàn)電感量可以減小到GTO 的1/100，表1 是 IGCT 的電特性參數(shù)。目前， 4.5kV （1.9kV/2.7kV 直流鏈）及5.5kV （3.3kV 直流鏈）、275A <Itgqm<3120A 的IGCT 已研制成功。有效硅面積小、低損耗、快速開(kāi)關(guān)這些優(yōu)點(diǎn)保證了 IGCT能可靠、高效率地用于300 kVA 10MVA變流器，而不需要串聯(lián)或并聯(lián)。在串聯(lián)時(shí)，逆變器功率可擴(kuò)展到 100MVA。雖然高功 率的 IGBT 模塊具有一些優(yōu)良的特性

11、，如能實(shí)現(xiàn)di/dt 和 dv/dt 的有源控制、有源箝位、易于實(shí)現(xiàn)短路電流保護(hù)和有源保護(hù)等。但因存在著導(dǎo)通高損耗、硅有效面積低利用率、損壞后造成開(kāi)路以及無(wú)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)，限制了高功率IGBT 模塊在高功率低頻變流器中的實(shí)際應(yīng)用。因此在大功率MCT 未問(wèn)世以前，IGCT 可望成為高功率高電壓低頻變流器的優(yōu)選功率器件之一。2、 IGBT 模塊的最新發(fā)展1高功率溝槽柵結(jié)構(gòu)IGBT（Trench IGBT） 模塊當(dāng)今高功率IGBT 模塊中的IGBT 元胞通常多采用溝槽柵結(jié)構(gòu)IGBT。 與平面柵結(jié)構(gòu)相比，溝槽柵結(jié)構(gòu)通常采用lm加工精度，從而大大提高了元胞密度。由于門(mén)極溝的存在，消除了平面柵結(jié)構(gòu)

12、器件中存在的相鄰元胞之間形成的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管效應(yīng)，同時(shí)引入了一定的電子注入效應(yīng)，使得導(dǎo)通電阻下降。為增加長(zhǎng)基區(qū)厚度、提高器件耐壓創(chuàng)造了條件。所以近幾年來(lái)出現(xiàn)的高耐壓大電流IGBT 器件均采用這種結(jié)構(gòu)。1996 年日本三菱和日立公司分別研制成功3.3kV/1.2kA 巨大容量的IGBT 模塊。它們與常規(guī)的 GTO 相比，開(kāi)關(guān)時(shí)間縮短了20%，柵極驅(qū)動(dòng)功率僅為GTO 的 1/1000。 1997 年富士電機(jī)研制成功1kA/2.5kV 平板型IGBT， 由于集電、發(fā)射結(jié)采用了與GTO 類(lèi)似的平板壓接結(jié)構(gòu)，采用更高效的芯片兩端散熱方式。特別有意義的是，避免了大電流IGBT 模塊內(nèi)部大量的電極引出線(xiàn)，

13、提高了可靠性和減小了引線(xiàn)電感，缺點(diǎn)是芯片面積利用率下降。所以這種平板壓接結(jié)構(gòu)的高壓大電流IGBT 模塊也可望成為高功率高電壓變流器的優(yōu)選功率器件。2 新型大功率IGBT 模塊 -電子注入增強(qiáng)柵晶體管IEGT（Injection Enhanced Gate Trangistor）近年來(lái)，日本東芝公司開(kāi)發(fā)了 IEGT,與IGBT一樣，它也分平面柵和溝槽柵兩種結(jié)構(gòu)，前者的產(chǎn)品即將問(wèn)世，后者尚在研制中。IEGT 兼有 IGBT 和 GTO 兩者的某些優(yōu)點(diǎn)：低的飽和壓降，寬的安全工作區(qū)（吸收回路容量?jī)H為GTO 的 1/10 左右） ，低的柵極驅(qū)動(dòng)功率（比GTO 低 2 個(gè)數(shù)量級(jí)）和較高的工作頻率。加之該

14、器件采用了平板壓接式電極引出結(jié)構(gòu)，可望有較高的可靠性。IEGT 之所以有前述這些優(yōu)良的特性，是由于它利用了“電子注入增強(qiáng)效應(yīng)"。為了簡(jiǎn)要說(shuō)明這一效應(yīng)，將IGBT 及 IEGT 單胞示意圖示于圖4。與IGBT 相比， IEGT 結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是柵極長(zhǎng)度Lg 較長(zhǎng)， N 長(zhǎng)基區(qū)近柵極側(cè)的橫向電阻值較高，因此從集電極注入N 長(zhǎng)基區(qū)的空穴，不像在IGBT 中那樣，順利地橫向通過(guò)P 區(qū)流入發(fā)射極，而是在該區(qū)域形成一層空穴積累層。為了保持該區(qū)域的電中性，發(fā)射極必須通過(guò)N 溝道向 N 長(zhǎng)基區(qū)注入大量的電子。這樣就使 N 長(zhǎng)基區(qū)發(fā)射極側(cè)也形成了高濃度載流子積累，在N 長(zhǎng)基區(qū)中形成與GTO 中類(lèi)似的載

15、流子分布，從而較好地解決了大電流、高耐壓的矛盾。目前該器件已達(dá)到4.5kV /1kA 的水平。3、 MOS 門(mén)控晶閘管MOS 門(mén)極控制晶閘管充分地利用晶閘管良好的通態(tài)特性、優(yōu)良的開(kāi)通和關(guān)斷特性，可望具有優(yōu)良的自關(guān)斷動(dòng)態(tài)特性、非常低的通態(tài)電壓降和耐高壓，成為將來(lái)在電力裝置和電力系統(tǒng)中有發(fā)展前途的高壓大功率器件。目前世界上有十幾家公司在積極開(kāi)展對(duì)MCT 的研究。MOS門(mén)控晶閘管主要有三種結(jié)構(gòu)：MOS場(chǎng)控晶閘管（MCT）、基極電阻控制品閘管（BRT）及射極開(kāi)關(guān)晶閘管（EST）。 其中 EST 可能是 MOS 門(mén)控晶閘管中最有希望的一種結(jié)構(gòu)。但是， 這種器件要真正成為商業(yè)化的實(shí)用器件，達(dá)到取代GTO

16、的水平，還需要相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。四、采用新型半導(dǎo)體材料制造的新型功率器件至今，硅材料功率器件已發(fā)展得相當(dāng)成熟。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)人們對(duì)理想功率器件特性的追求，越來(lái)越多的功率器件研究工作轉(zhuǎn)向了對(duì)用新型半導(dǎo)體材料制作新型半導(dǎo)體功率器件的探求。研究表明，砷化鎵FET 和肖特基整流器可以獲得十分優(yōu)越的技術(shù)性能。Collins et al 公司 用GaAs VFETs制成了 10MHz PWM 變換器，其功率密度高達(dá) 500W/in3。高壓(600V)砷化鎵高頻整流二極管近年來(lái)也有所突破，SiC 材料和功率器件的研究工作十分活躍。1高壓砷化鎵高頻整流二極管隨著變換器開(kāi)關(guān)頻率的不斷提高，對(duì)快恢復(fù)二極管的要求也

17、隨之提高。眾所周知，砷化鎵二極管具有比硅二極管優(yōu)越的高頻開(kāi)關(guān)特性，但是由于工藝技術(shù)等方面的原因，砷化鎵二極管的耐壓較低，實(shí)際應(yīng)用受到局限。為適應(yīng)高壓、高速、高效率和低EMI 應(yīng)用需要，高壓砷化鎵高頻整流二極管已在Motorola 公司研制成功。與硅快恢復(fù)二極管相比，這種新型二極管的顯著特點(diǎn)是：反向漏電流隨溫度變化小、開(kāi)關(guān)損耗低、反向恢復(fù)特性好。兩者比較結(jié)果示于表 3 。碳化硅與碳化硅( SiC ) 功率器件在用新型半導(dǎo)體材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅( SiC ) 功率器件。它的性能指標(biāo)比砷化鎵器件還要高一個(gè)數(shù)量級(jí)，碳化硅與其他半導(dǎo)體材料相比，具有下列優(yōu)異的物理特點(diǎn)：高的禁帶寬度，高

18、的飽和電子漂移速度，高的擊穿強(qiáng)度，低的介電常數(shù)和高的熱導(dǎo)率。上述這些優(yōu)異的物理特性，決定了碳化硅在高溫、高頻率、高功率的應(yīng)用場(chǎng)合是極為理想的半導(dǎo)體材料。在同樣的耐壓和電流條件下，SiC 器件的漂移區(qū)電阻要比硅低200 倍，即使高耐壓的SiC 場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通壓降，也比單極型、雙極型硅器件的低得多。而且，SiC器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間可達(dá)10nS量級(jí)，并具有十分優(yōu)越的 FBSOA。SiC可以用來(lái)制造射頻和微波功率器件，各種高頻整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。 SiC 高頻功率器件已在Motorola 公司研發(fā)成功，并應(yīng)用于微波和射頻裝置。GE 公司正在開(kāi)發(fā) SiC 功率器件和高溫器件(包括用于噴氣式引擎的傳感器)。西屋公司已經(jīng)制造出了在26GHz頻率下工作的甚高頻的 MESFETo ABB公司正在研制高功率、高電壓的SiC整流器和其他 SiC 低頻功率器件，用于工業(yè)和電力系統(tǒng)。理論分