电力电子元器件的最新发展现状

1、1电力电子器件的最新发展现状电力电子器件的最新发展现状课程：电力电子器件课程：电力电子器件 -2-目目 录录 电力电子器件的回顾电力电子器件的回顾 IGBT模块的最新发展模块的最新发展 MCT:MOS控制晶闸管控制晶闸管 IPEM：集成电力电子模块：集成电力电子模块 静电感应晶体管静电感应晶体管SIT和静电感应晶闸管和静电感应晶闸管SITH 采用新型半导体材料制造的新型半导体器件采用新型半导体材料制造的新型半导体器件 -3- 电力电子器件又称作开关器件，相当于信号电路中的电力电子器件又称作开关器件，相当于信号电路中的A/D采样，称之为功采样，称之为功率采样，器件的工作过就是能量过渡过程，其可靠

2、性决定了系统的可靠性。率采样，器件的工作过就是能量过渡过程，其可靠性决定了系统的可靠性。根据可控程度可以把电力电子器件分成三类：根据可控程度可以把电力电子器件分成三类：不可控器件不可控器件电力二极管（电力二极管（Power Diode） 电力二极管在电力二极管在20世纪世纪50年代初期就获得应用，当时也被称为半导体整流年代初期就获得应用，当时也被称为半导体整流器；它是以半导体器；它是以半导体PN结为基础，实现正向导通、反向截止的功能；电力二极结为基础，实现正向导通、反向截止的功能；电力二极管是不可控器件，其导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决管是不可控器件，其导通和关断完全是由其在

3、主电路中承受的电压和电流决定的，因此目前电力二极管基本上已经被全控型器件所代替。定的，因此目前电力二极管基本上已经被全控型器件所代替。半控型器件半控型器件第一代电力电子器件第一代电力电子器件 上个世纪上个世纪50年代，美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电年代，美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电子技术的开端。此后，晶闸管力电子技术的开端。此后，晶闸管(SCR)的派生器件越来越多，的派生器件越来越多， 到了70年代一、电力电子器件的回顾一、电力电子器件的回顾4 已经派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半已经派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对

4、称晶闸管等半控型器件，功率越来越大，性能日益完善。但是由于晶闸管本身工作频控型器件，功率越来越大，性能日益完善。但是由于晶闸管本身工作频率较低（一般低于率较低（一般低于400Hz400Hz），大大限制了它的应用。此外，关断这些器件，），大大限制了它的应用。此外，关断这些器件，需要强迫换相电路，使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。需要强迫换相电路，使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。全控型器件全控型器件第二代电力电子器件第二代电力电子器件 随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控型器件发展到了现在的超大功率、

5、高频、全控型器件。由于全控型器件型器件发展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。由于全控型器件可以控制开通和关断，大大提高了开关控制的灵活性。自可以控制开通和关断，大大提高了开关控制的灵活性。自7070年代后期以年代后期以来，可关断晶闸管来，可关断晶闸管(GTO)(GTO)、电力晶体管、电力晶体管(GTR(GTR或或BJT)BJT)及其模块相继实用化。及其模块相继实用化。此后各种高频全控型器件不断问世，并得到迅速发展。这些器件主要有此后各种高频全控型器件不断问世，并得到迅速发展。这些器件主要有等等。 5 众所周知众所周知一个理想的功率器件，应当具有下列理一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静

6、态和动态特性：在截止状态时能承受高电压在想的静态和动态特性：在截止状态时能承受高电压在导通状态时，具有大电流和很低的压降；在开关转换导通状态时，具有大电流和很低的压降；在开关转换时，具有短的开、关时间，能承受高时，具有短的开、关时间，能承受高电压变化率和电电压变化率和电流变化率流变化率的以及具有全控功能。的以及具有全控功能。 当前功率器件研究工作的重点主要集中在研究现有当前功率器件研究工作的重点主要集中在研究现有功率器件的性能改进、功率器件的性能改进、MOS门控晶闸管以及采用新型门控晶闸管以及采用新型半导体材料制造新型的功率器件等。下面就对近年来半导体材料制造新型的功率器件等。下面就对近年来上

7、述器件的最新发展加以综述。上述器件的最新发展加以综述。 -6-二、二、IGBT模块的最新发展模块的最新发展 1.1.高功率沟槽栅结构高功率沟槽栅结构IGBTIGBT（Trench IGBTTrench IGBT）模块）模块 当今高功率当今高功率IGBTIGBT模块中的模块中的IGBTIGBT元胞通常多采用沟槽栅结构元胞通常多采用沟槽栅结构IGBTIGBT。与平面。与平面栅结构相比，沟槽栅结构通常采用栅结构相比，沟槽栅结构通常采用1m1m加工精度，提高了元胞密度。由于门加工精度，提高了元胞密度。由于门极沟的存在，使得导通电阻下降。为增加长基区厚度、提高器件耐压创造了极沟的存在，使得导通电阻下降。

8、为增加长基区厚度、提高器件耐压创造了条件。所以近几年来出现的高耐压大电流条件。所以近几年来出现的高耐压大电流IGBTIGBT器件均采用这种结构。该元件器件均采用这种结构。该元件的发射结采用了与的发射结采用了与GTOGTO类似的平板压接结构，采用更高效的芯片两端散热方式。类似的平板压接结构，采用更高效的芯片两端散热方式。避免了大电流避免了大电流IGBTIGBT模块内部大量的电极引出线，提高了可靠性和减小了引线模块内部大量的电极引出线，提高了可靠性和减小了引线电感，缺点是芯片面积利用率下降。所以这种平板压接结构的高压大电流电感，缺点是芯片面积利用率下降。所以这种平板压接结构的高压大电流IGBTIG

9、BT模块也可望成为高功率高电压变流器的优选功率器件。模块也可望成为高功率高电压变流器的优选功率器件。7 2. 2. 新型大功率新型大功率IGBTIGBT模块模块- - 电子注入增强栅晶体管电子注入增强栅晶体管IEGTIEGT（Injection Injection Enhanced Gate TrangistorEnhanced Gate Trangistor） 近年来，日本东芝公司开发了近年来，日本东芝公司开发了IEGTIEGT，与，与IGBTIGBT一样，它也分平面栅一样，它也分平面栅和沟槽栅两种结构和沟槽栅两种结构。IEGTIEGT兼有兼有IGBTIGBT和和GTOGTO两者的某些优点：

10、低的饱和两者的某些优点：低的饱和压降，宽的安全工作区（吸收回路容量仅为压降，宽的安全工作区（吸收回路容量仅为GTOGTO的的1/101/10左右），低的左右），低的栅极驱动功率（比栅极驱动功率（比GTOGTO低低2 2个数量级）和较高的工作频率。加之该器件个数量级）和较高的工作频率。加之该器件采用了平板压接式电极引出结构，可望有较高的可靠性。采用了平板压接式电极引出结构，可望有较高的可靠性。 IEGTIEGT之所以有前述这些优良的特性，是由于它利用了之所以有前述这些优良的特性，是由于它利用了“电子注入电子注入增强效应增强效应”。与。与IGBTIGBT相比，相比，IEGTIEGT结构的主要特点是

11、栅极长度结构的主要特点是栅极长度LgLg较长，较长，N N长基区近栅极侧的横向电阻值较高，因此从集电极注入长基区近栅极侧的横向电阻值较高，因此从集电极注入N N长基区的空长基区的空穴，不像在穴，不像在IGBTIGBT中那样，顺利地横向通过中那样，顺利地横向通过P P区流入发射极，而是在该区流入发射极，而是在该区域形成一层空穴积累层。为了保持该区域的电中性，发射极必须通区域形成一层空穴积累层。为了保持该区域的电中性，发射极必须通过过N N沟道向沟道向N N长基区注入大量的电子。这样就使长基区注入大量的电子。这样就使N N长基区发射极侧也形长基区发射极侧也形成了高浓度载流子积累，在成了高浓度载流子

12、积累，在N N长基区中形成与长基区中形成与GTOGTO中类似的载流子分布，中类似的载流子分布，从而较好地解决了大电流、高耐压的矛盾。目前该器件已达到从而较好地解决了大电流、高耐压的矛盾。目前该器件已达到4.5kV 4.5kV /1kA/1kA的水平。的水平。 8 3. 3.IGCTIGCT：集成门极换流晶闸管：集成门极换流晶闸管 IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是一种用于巨是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。型电力电子成套装置中的新型

13、电力半导体器件。IGCTIGCT使变流装置在功使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。IGCIGC是将是将GTOGTO芯片与反芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现

14、晶体管的特性。的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCTIGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。低等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。 采用晶闸管技术的采用晶闸管技术的GTOGTO是常用的大功率开关器件，它相对于采用是常用的大功率开关器件，它相对于采用晶体管技术的晶体管技术的IGBTIGBT在截止电压上有更高的性能，但广泛应用的标准在截止电压上有更高的性能，但广泛应用的标准GTOGTO驱动技术造成不均匀的开通和关断过程，需

15、要高成本的驱动技术造成不均匀的开通和关断过程，需要高成本的dv/dtdv/dt和和di/dtdi/dt吸收电路和较大功率的栅极驱动单元，因而造成可靠性下降，吸收电路和较大功率的栅极驱动单元，因而造成可靠性下降，价格较高，也不利于串联。但是，在大功率价格较高，也不利于串联。但是，在大功率MCTMCT技术尚未成熟以前，技术尚未成熟以前，IGCTIGCT已经成为高压大功率低频交流器的优选方案。已经成为高压大功率低频交流器的优选方案。 -9-三、三、MCT:MOS控制晶闸管控制晶闸管 MCT（MOS Controlled Thyristor）是将是将MOSFET与晶闸管组合与晶闸管组合而成的复合型器件

16、。而成的复合型器件。MCTMCT将将MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点结合起来，速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点结合起来，也是也是Bi-MOS器件的一种。一个器件的一种。一个MCT器件由数以万计的器件由数以万计的MCT元组成，元组成，每个元的组成为：一个每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。 MCT具有高电压、大电流、高载流密度、低通态压降的特点。其具有高电压、大

17、电流、高载流密度、低通态压降的特点。其通态压降只有通态压降只有GTR的的1/3左右，硅片的单位面积连续电流密度在各种左右，硅片的单位面积连续电流密度在各种10 器件中是最高的。另外，器件中是最高的。另外，MCTMCT可承受极高的可承受极高的di/dtdi/dt和和du/dtdu/dt，使得其保护电路可以简化。使得其保护电路可以简化。MCTMCT的开关速度超高的开关速度超高GTR,GTR,开关损开关损耗也小。耗也小。 MCTMCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，件。因此，2020世纪世纪8080年代以来一度成为研究的热点。但经过年代以

18、来一度成为研究的热点。但经过十多年的十多年的研究研究，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。而其竞争容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。而其竞争对手对手IGBTIGBT却进展飞速，所以，目前从事却进展飞速，所以，目前从事MCTMCT研究的人不是很研究的人不是很多。多。 -11-四、IPEM：集成电力电子模块 IPEM(Intergrated Power Elactronics Modules)是将是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。它首先将半电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。它首先将半导体

19、器件导体器件MOSFET、IGBT或或MCT与二极管的芯片封装在与二极管的芯片封装在一起组成一个积木单元，然后将这些积木单元迭装到开孔一起组成一个积木单元，然后将这些积木单元迭装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上，在它的下面依次是铜基板、的高电导率的绝缘陶瓷衬底上，在它的下面依次是铜基板、氧化铍瓷片和散热片。在积木单元的上部，则通过表面贴氧化铍瓷片和散热片。在积木单元的上部，则通过表面贴装将控制电路、门极驱动、电流和温度传感器以及保护电装将控制电路、门极驱动、电流和温度传感器以及保护电路集成在一个薄绝缘层上。路集成在一个薄绝缘层上。IPEM实现了电力电子技术的实现了电力电子技术的智能化和模块化，

20、大大降低了电路接线电感、系统噪声和智能化和模块化，大大降低了电路接线电感、系统噪声和寄生振荡，提高了系统效率及可靠性。寄生振荡，提高了系统效率及可靠性。 -12-五、五、 静电感应晶体管静电感应晶体管 SIT SIT 静电感应晶静电感应晶闸管闸管 SITH SITH 1.静电感应晶体管静电感应晶体管SIT（Static Induction Transistor） 在普通结型场效应晶体管基础上发展起来的单极型电压控制器件，在普通结型场效应晶体管基础上发展起来的单极型电压控制器件，有源、栅、漏三个电极有源、栅、漏三个电极,它的源漏电流受栅极上的外加垂直电场控制。它的源漏电流受栅极上的外加垂直电场控

21、制。其结构可分为平面栅型、埋栅型和准平面型三大类。其结构可分为平面栅型、埋栅型和准平面型三大类。SIT与普通的结与普通的结型场效应晶体管的最大区别就是在沟道中有多子势垒存在，该势垒阻型场效应晶体管的最大区别就是在沟道中有多子势垒存在，该势垒阻碍着电子从源向漏的流动，势垒大小即受栅碍着电子从源向漏的流动，势垒大小即受栅-源间电压的控制，也受源间电压的控制，也受源源-漏间电压的控制。漏间电压的控制。SIT器件的工作原理就是通过改变栅极和漏极电器件的工作原理就是通过改变栅极和漏极电压来改变沟道势垒高度，从而控制来自源区的多数载流子的数量，通压来改变沟道势垒高度，从而控制来自源区的多数载流子的数量，通

22、过静电方式控制沟道内部电位分布，从而实现对沟道电流的控制。过静电方式控制沟道内部电位分布，从而实现对沟道电流的控制。SIT的输出特性曲线呈现与真空三极管类似的非饱和特性的输出特性曲线呈现与真空三极管类似的非饱和特性。 13 静电感应晶体管静电感应晶体管 SIT SIT是一种电压控制器件。在零栅压或很小的负是一种电压控制器件。在零栅压或很小的负栅压时，沟道区已全部耗尽，呈夹断状态，靠近源极一侧的沟道中出现栅压时，沟道区已全部耗尽，呈夹断状态，靠近源极一侧的沟道中出现呈马鞍形分布的势垒，由源极流向漏极的电流完全受此势垒的控制。在呈马鞍形分布的势垒，由源极流向漏极的电流完全受此势垒的控制。在漏极上加

23、一定的电压后，势垒下降，源漏电流开始流动。漏压越高漏极上加一定的电压后，势垒下降，源漏电流开始流动。漏压越高, ,越大越大, ,亦即亦即SITSIT的源漏极之间是靠漏电压的静电感应保持其连接的的源漏极之间是靠漏电压的静电感应保持其连接的, ,因此称为静因此称为静电感应晶体管。电感应晶体管。 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT主要有三种结构形式主要有三种结构形式: :埋栅结构、表面电极结埋栅结构、表面电极结构和介质覆盖栅结构。埋栅结构是典型结构，适用于低频大功率器件；构和介质覆盖栅结构。埋栅结构是典型结构，适用于低频大功率器件；表面电极结构适用于高频和微波功率表面电极结构适用于高频和微波功

24、率SIT;SIT;介质覆盖栅结构是中国研制成介质覆盖栅结构是中国研制成功的，这种结构既适用于低频大功率器件，也适用于高频和微波功率器功的，这种结构既适用于低频大功率器件，也适用于高频和微波功率器件，其特点是工艺难度小、成品率高、成本低、适于大量生产。件，其特点是工艺难度小、成品率高、成本低、适于大量生产。14 和双极型晶体管相比和双极型晶体管相比,SIT,SIT具有以下的优点：线性好、噪声小。具有以下的优点：线性好、噪声小。用用SITSIT制成的功率放大器制成的功率放大器, ,在音质、音色等方面均优于双极型晶体管。在音质、音色等方面均优于双极型晶体管。输入阻抗高、输出阻抗低，可直接构成输入阻抗

25、高、输出阻抗低，可直接构成OTLOTL电路。电路。SITSIT是一种无基区晶是一种无基区晶体管，没有基区少数载流子存储效应，开关速度快。它是一种多子器体管，没有基区少数载流子存储效应，开关速度快。它是一种多子器件，在大电流下具有负温度系数，器件本身有温度自平衡作用，抗烧毁件，在大电流下具有负温度系数，器件本身有温度自平衡作用，抗烧毁能力强。无二次击穿效应，可靠性高。低温性能好，在能力强。无二次击穿效应，可靠性高。低温性能好，在-19-19下工作下工作正常。抗辐照能力比双极晶体管高正常。抗辐照能力比双极晶体管高5050倍以上。倍以上。 静电感应晶体管是一种新型器件，可用于高保真度的音响设备、静电

26、感应晶体管是一种新型器件，可用于高保真度的音响设备、电源、电机控制、通信机、电视差转机以及雷达、导航和各种电子仪器电源、电机控制、通信机、电视差转机以及雷达、导航和各种电子仪器中。中。15 二、静电感应晶闸管二、静电感应晶闸管 SITH SITH 静电感应器件（静电感应器件（SIDSID）是一类新型电力半导体器件的总称，它主）是一类新型电力半导体器件的总称，它主要包括静电感应晶体管要包括静电感应晶体管SITSIT、双极型静电感应晶体管、双极型静电感应晶体管BSITBSIT、静电感应晶闸、静电感应晶闸管管SITHSITH等三大类。与现用的晶体管和电子管比较，使用静电感应器件最等三大类。与现用的晶

27、体管和电子管比较，使用静电感应器件最明显的优点一是可实现功率变频，从而达到高效节能（节能效果可高达明显的优点一是可实现功率变频，从而达到高效节能（节能效果可高达40%40%），二是可优化产品结构、大幅度缩小产品体积，降低原材料消耗。），二是可优化产品结构、大幅度缩小产品体积，降低原材料消耗。它的最后发展将为人类广泛节约能源，降低材料消耗提供重要手段，并它的最后发展将为人类广泛节约能源，降低材料消耗提供重要手段，并为机电融合一体化开辟新的道路。为机电融合一体化开辟新的道路。 静电感应晶闸管是在静电感应晶闸管是在SITSIT的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同

28、的发射极层而得到的。因为其工作原理也与同的发射极层而得到的。因为其工作原理也与SITSIT类似，门极和阳极电压类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流，因此均能通过电场控制阳极电流，因此SITHSITH又被称为场控晶闸管（又被称为场控晶闸管（Field Field Controlled Thyristor-FCT)Controlled Thyristor-FCT)。16 与其它电力器件相比，与其它电力器件相比，SITHSITH具有一系列突出的优点：用栅极可强迫关具有一系列突出的优点：用栅极可强迫关断，具有高耐压、大电流、低压降、低功耗、高速度、优良的动态性能断，具有高耐压、大电流、低压降、

29、低功耗、高速度、优良的动态性能以及强的抗烧性等优异性能，应用前景十分广阔。以及强的抗烧性等优异性能，应用前景十分广阔。 SITHSITH最重要的用途是作为可关断的电力开关，主要运用于正向导最重要的用途是作为可关断的电力开关，主要运用于正向导通和反向阻断两个状态。对于常关型器件，正栅压使其开通，负栅压使通和反向阻断两个状态。对于常关型器件，正栅压使其开通，负栅压使器件强迫关断。与普通晶闸管（器件强迫关断。与普通晶闸管（SCRSCR）及可关断晶闸管（）及可关断晶闸管（GTOGTO）相比有许）相比有许多优点：多优点：SITHSITH的通态电阻小，通态电压低，开关速度快，开关损耗小，的通态电阻小，通态

30、电压低，开关速度快，开关损耗小，正向电压阻断增益高，开通和关断的短路增益大，正向电压阻断增益高，开通和关断的短路增益大，di/dtdi/dt及及dv/dtdv/dt的耐量的耐量高。高。但是但是，其制造工艺比，其制造工艺比GTOGTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。范围还有待拓展。 -17-六六、采用新型半导体材料制造的新、采用新型半导体材料制造的新型功率器件型功率器件 以上所述各种电力电子器件一般都是由硅（以上所述各种电力电子器件一般都是由硅（Si)半导体材料制成的。半导体材料制成的。此外，近年来还出现了一些性能优良的新型化合物半导体

31、材料，如砷此外，近年来还出现了一些性能优良的新型化合物半导体材料，如砷化镓（化镓（GaAs)碳化硅（碳化硅（SiC)）、磷化铟（）、磷化铟（InP)）及锗化硅（）及锗化硅（SiGe）等，）等，由它们作为基础材料制成的电力电子器件正不断涌现出来。由它们作为基础材料制成的电力电子器件正不断涌现出来。一、一、碳化硅（碳化硅（SiC）是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，与其他半）是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，与其他半导体材料相比具有高禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿强度、导体材料相比具有高禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿强度、低介电常数和高低介电常数和高热导率的物理特点热导率的物理特点，其工作温度可达其工作温度可达600 ，结耐压易结耐压易于达于达18 达到达到 5kv-10kv,漏电流特别小。即使高耐压的漏电流特别小。即使高耐压的SiC 的场效的场效应管的导通电压也比双极性硅器件的压降应管的导通电压也比双极性硅器件的压降低。而且，低。而且， SiC器器件的开关时间可达件的开关时间可达10ns 级。因此，碳化硅在高温、高频率、级。因此，碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合