《電力電子器》word版

1、新型電力電子器件電力電子器件（Power Electronic Device）又稱為功率半導(dǎo)體器件，用于電能變換和電能控制電路中的大功率(通常指電流為數(shù)十至數(shù)千安，電壓為數(shù)百伏以上)電子器件。又稱功率電子器件。20世紀(jì)50年代，電力電子器件主要是汞弧閘流管和大功率電子管。60年代發(fā)展起來的晶閘管，因其工作可靠、壽命長、體積小、開關(guān)速度快，而在電力電子電路中得到廣泛應(yīng)用。70年代初期，已逐步取代了汞弧閘流管。80年代，普通晶閘管的開關(guān)電流已達(dá)數(shù)千安，能承受的正、反向工作電壓達(dá)數(shù)千伏。在此基礎(chǔ)上，為適應(yīng)電力電子技術(shù)發(fā)展的需要，又開發(fā)出門極可關(guān)斷晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管等一系列派生

2、器件，以及單極型MOS功率場效應(yīng)晶體管、雙極型功率晶體管、靜電感應(yīng)晶閘管、功能組合模塊和功率集成電路等新型電力電子器件。各種電力電子器件均具有導(dǎo)通和阻斷兩種工作特性。功率二極管是二端(陰極和陽極)器件，其器件電流由伏安特性決定，除了改變加在二端間的電壓外，無法控制其陽極電流，故稱不可控器件。普通晶閘管是三端器件，其門極信號能控制元件的導(dǎo)通，但不能控制其關(guān)斷，稱半控型器件?？申P(guān)斷晶閘管、功率晶體管等器件，其門極信號既能控制器件的導(dǎo)通，又能控制其關(guān)斷，稱全控型器件。后兩類器件控制靈活，電路簡單，開關(guān)速度快，廣泛應(yīng)用于整流、逆變、斬波電路中，是電動機(jī)調(diào)速、發(fā)電機(jī)勵磁、感應(yīng)加熱、電鍍、電解電源、直接輸

3、電等電力電子裝置中的核心部件。這些器件構(gòu)成裝置不僅體積小、工作可靠，而且節(jié)能效果十分明顯(一般可節(jié)電10%40%)。單個電力電子器件能承受的正、反向電壓是一定的，能通過的電流大小也是一定的。因此，由單個電力電子器件組成的電力電子裝置容量受到限制。所以，在實(shí)用中多用幾個電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)形成組件，其耐壓和通流的能力可以成倍地提高，從而可極大地增加電力電子裝置的容量。器件串聯(lián)時，希望各元件能承受同樣的正、反向電壓；并聯(lián)時則希望各元件能分擔(dān)同樣的電流。但由于器件的個異性，串、并聯(lián)時，各器件并不能完全均勻地分擔(dān)電壓和電流。所以，在電力電子器件串聯(lián)時，要采取均壓措施；在并聯(lián)時，要采取均流措施。電力電

4、子器件工作時，會因功率損耗引起器件發(fā)熱、升溫。器件溫度過高將縮短壽命，甚至燒毀，這是限制電力電子器件電流、電壓容量的主要原因。為此，必須考慮器件的冷卻問題。常用冷卻方式有自冷式、風(fēng)冷式、液冷式(包括油冷式、水冷式)和蒸發(fā)冷卻式等。1. 超大功率晶閘管晶閘管（SCR）自問世以來，其功率容量提高了近3000倍?，F(xiàn)在許多國家已能穩(wěn)定生產(chǎn) 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）。美國和歐洲主要生產(chǎn)電觸發(fā)晶閘管。近十幾年來，由于自關(guān)斷器件的飛速發(fā)展，晶閘管的應(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、靜止無功補(bǔ)償（

5、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)計在今后若干年內(nèi)，晶閘管仍將在高電壓、大電流應(yīng)用場合得到繼續(xù)發(fā)展。現(xiàn)在，許多生產(chǎn)商可提供額定開關(guān)功率36MVA （6kV/ 6kA ）用的高壓大電流GTO。傳統(tǒng)GTO的典型的關(guān)斷增量僅為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/s。為此，人們不得不使用體積大、昂貴的吸收電路。另外它的門極驅(qū)動電路較復(fù)雜和要求較大的驅(qū)動功率。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)部集成一個反并二極管，這些突出的優(yōu)點(diǎn)仍使人們對GTO感到興趣。到目前

6、為止，在高壓（VBR3.3kV）、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。為了滿足電力系統(tǒng)對1GVA以上的三相逆變功率電壓源的需要，近期很有可能開發(fā)出10kA/12kV的GTO，并有可能解決30多個高壓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)用方面再上一個臺階。2. 脈沖功率閉合開關(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)時間（數(shù)ns）的放電閉合開關(guān)應(yīng)用場合，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

7、高壓下快速開通，不需要放電電極，具有很長的使用壽命，體積小、價格比較低，可望取代目前尚在應(yīng)用的高壓離子閘流管、引燃管、火花間隙開關(guān)或真空開關(guān)等。該器件獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)是：門-陰極周界很長并形成高度交織的結(jié)構(gòu)，門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，門-陰極之間的水平距離小于一個擴(kuò)散長度。上述兩個結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確保了該器件在開通瞬間，陰極面積能得到100%的應(yīng)用。此外，該器件的陰極電極采用較厚的金屬層，可承受瞬時峰值電流。3. 新型GTO器件-集成門極換流晶閘管 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-集成門極換流IGCT晶閘管

8、。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、存貯時間短、開通能力強(qiáng)、關(guān)斷門極電荷少和應(yīng)用系統(tǒng)（包括所有器件和外圍部件如陽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)良的開通和關(guān)斷能力是特別重要的方面，因為在實(shí)際應(yīng)用中，GTO的應(yīng)用條件主要是受到這些開關(guān)特性的局限。眾所周知，GTO的關(guān)斷能力與其門極驅(qū)動電路的性能關(guān)系極大，當(dāng)門極關(guān)斷電流的上升率（diGQ/dt）較高時，GTO晶閘管則具有較高的關(guān)斷能力。一個4.5kV/4kA的IGCT與一個4.5kV/4kA的GTO的硅片尺寸類似，可是它能在高于6kA的

9、情況下不用緩沖電路加以關(guān)斷，它的diGQ/dt高達(dá)6kA/s。對于開通特性，門極開通電流上升率（diG/dt）也非常重要，可以借助于低的門極驅(qū)動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，是因為在器件結(jié)構(gòu)上對GTO采取了一系列改進(jìn)措施。它除了采用了陽極短路型的逆導(dǎo)GTO結(jié)構(gòu)以外，主要是采用了特殊的環(huán)狀門極，其引出端安排在器件的周邊，特別是它的門、陰極之間的距離要比常規(guī)GTO的小得多，所以在門極加以負(fù)偏壓實(shí)現(xiàn)關(guān)斷時，門、陰極間可立即形成耗盡層，這時，從陽極注入基區(qū)的主電流，則在關(guān)斷瞬間全部流入門極，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時需要提供與主電流相等的瞬

10、時關(guān)斷電流，這就要求包括IGCT門陰極在內(nèi)的門極驅(qū)動回路必須具有十分小的引線電感。實(shí)際上，它的門極和陰極之間的電感僅為常規(guī)GTO的1/10。IGCT的另一個特點(diǎn)是有一個極低的引線電感與管餅集成在一起的門極驅(qū)動器。IGCT用多層薄板狀的襯板與主門極驅(qū)動電路相接。門極驅(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及其門極驅(qū)動電路在內(nèi)的總引線電感量可以減小到GTO的1/100。目前，4.5kV （1.9kV/2.7kV 直流鏈）及5.5kV（3.3kV直流鏈）、275A Itgqm3120A的IGCT已研制成功。有效硅面積小、低損耗、快速開關(guān)這些優(yōu)點(diǎn)保證了IGCT能可靠、高效率

11、地用于300 kVA10MVA變流器，而不需要串聯(lián)或并聯(lián)。在串聯(lián)時，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，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、損壞后造成開路以及無長期可靠運(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。二、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

12、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1m加工精度，從而大大提高了元胞密度。由于門極溝的存在，消除了平面柵結(jié)構(gòu)器件中存在的相鄰元胞之間形成的結(jié)型場效應(yīng)晶體管效應(yīng)，同時引入了一定的電子注入效應(yīng)，使得導(dǎo)通電阻下降。為增加長基區(qū)厚度、提高器件耐壓創(chuàng)造了條件。所以近幾年來出現(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，開關(guān)時間縮短了20%，柵極驅(qū)動功率僅為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類似的平板壓接

13、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，提高了可靠性和減小了引線電感，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，日本東芝公司開發(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)（吸收回路容量僅為GTO的1/10左

14、右），低的柵極驅(qū)動功率（比GTO低2個數(shù)量級）和較高的工作頻率。加之該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)”。與IGBT相比，IEGT結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是柵極長度Lg較長，N長基區(qū)近柵極側(cè)的橫向電阻值較高，因此從集電極注入N長基區(qū)的空穴，不像在IGBT中那樣，順利地橫向通過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N溝道向N長基區(qū)注入大量的電子。這樣就使N長基區(qū)發(fā)射極側(cè)也形成了高濃度載流子積累，在N長基區(qū)中形成與GTO中類似的載流子分布，從而較好地解決了大電流、高耐壓的

15、矛盾。目前該器件已達(dá)到4.5kV /1kA的水平。三、MOS門控晶閘管MOS門極控制晶閘管充分地利用晶閘管良好的通態(tài)特性、優(yōu)良的開通和關(guān)斷特性，可望具有優(yōu)良的自關(guān)斷動態(tài)特性、非常低的通態(tài)電壓降和耐高壓，成為將來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展對MCT的研究。MOS門控晶閘管主要有三種結(jié)構(gòu)：MOS場控晶閘管（MCT）、基極電阻控制晶閘管（BRT）及射極開關(guān)晶閘管（EST）。其中EST可能是MOS門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的水平，還需要相當(dāng)長的一段時間。四、采用新型半導(dǎo)體材料制造的新型功

16、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)人們對理想功率器件特性的追求，越來越多的功率器件研究工作轉(zhuǎn)向了對用新型半導(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關(guān)頻率的不斷提高，對快恢復(fù)二極管的要求也隨之提高。眾所周知，砷化鎵二極管具有比硅二極管優(yōu)越的高頻開關(guān)特性，但是由

17、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、開關(guān)損耗低、反向恢復(fù)特性好。2. 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數(shù)量級，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、

18、高頻率、高功率的應(yīng)用場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器件的開關(guān)時間可達(dá)10nS量級，并具有十分優(yōu)越的FBSOA。SiC可以用來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MESFET。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