电力半导体开关器件-2014_图文

1、1电力半导体开关器件1 概述2 电力二极管D3 双极性结型晶体管BJT4 金属氧化物场效应晶体管MOSFET5 晶闸管SCR6 门极关断晶闸管GTO7 MOS关断晶闸管MTO8 发射极关断晶闸管ETO9 集成门极换流晶闸管GCT、IGCT10 绝缘门极双极性晶体管IGBT11 MOS控制晶闸管MCT12 小结1 概述:机械开关与电力半导体开关器件电力电子开关器件与机械开关一样,有两种开关状态:通态(等效电阻近似为零,断态(等效电阻近似无限大;有两种过渡过程:开通,关断。其主要优点是开通关断过程很快,适宜于电力变换和控制;主要缺点是通不全通,断不全断,因而通态损耗大,断路时不能隔离电路。21 概

2、述:电力半导体开关器件的重要性FACTS应用要求:三相交流,几十至几百MVA;现有电力半导体开关器件水平:15kA、510kV、050MVA,器件利用率2550%;系统、装置、组件、管阀、元器件;大功率AC/DC、DC/AC变换器或交流开关均由大量电力半导体开关器件串、并联构成;模块化、标准化,可靠性、冗余、分步投资;电力半导体开关器件的耐量、特性和应用严重影响FACTS控制器的造价、性能、大小、重量、损耗。31 概述:电力半导体开关器件的分类可控性:不控、半控和全控器件;物理本质:二极管、晶体管和晶闸管系列。二极管:阳极、阴极,双层结构,单向导通能力,正向开通、反向关断,D;晶体管:集电极、

3、发射极、基极,三层结构,开关速度快、开关损耗小,BJT、IGBT、MOSFET;晶闸管:阳极、阴极、门极,四层结构,半控、全控器件,对称、不对称器件,通态损耗小、功率处理能力强,SCR、GTO、MTO、ETO、IGCT、MCT。41 概述:电力晶闸管系列SCR:GE发明,硅控整流器,PNPN正反馈原理,现称晶闸管,可控开通、不控关断,通态压降1.53V,ms级恢复时间,便宜、可靠、耐量大,HVDC、FACTS应用广泛,器件主力军;GTO:GE发明,可控开通、可控关断,门极驱动复杂、驱动功率较大,关断慢、缓冲代价高,FACTS应用广泛;MTO:SPCO发明,MOS管辅助关断,关断快、关断损耗小,

4、 FACTS应用潜力;ETO:VPEC+SPCO发明,低压MOS管和高压GTO串联,关断快、关断损耗小;GCT、IGCT:Mitsubishi+ABB发明,硬关断GTO改进封装,关断快、关断损耗小,FACTS应用潜力;MCT:GE发明,集成MOS结构加快开通和关断过程,开关损耗低、通态损耗小,FACTS应用潜力。51 概述:典型电力半导体开关器件61 概述:电力半导体开关器件耐量高纯单晶硅圆:75125-150mm,半导体,击穿电压2000kV/cm,导电性在金属和绝缘材料之间,掺杂改变电压和电流耐量,125mm晶圆器件电压600010000V、电流30004000A。电压耐量:SCR 810

5、kV,GTO 58kV,IGBT 35kV,可用电压大约为阻断电压的一半,高压管阀器件串联,均压问题;电流耐量:几kA,无需器件并联,均流问题,短路、过流情况,FACTS控制器无熔断器,二极管和晶闸管系列器件过流能力强;VSC:器件可控关断,无反向阻断能力,不对称关断器件(薄、通态压降低、开关损耗小、正向耐压高,反并联旁路二极管(反向漏电流小;CSC:需要反向电压承受能力,可用二极管与不对称关断器件串联。71 概述:电力半导体开关器件损耗和效率通态压降和通态损耗:热设计,损耗通过冷却媒快速散热;开关速度:关断过程,du/dt高;开通过程,di/dt高,需要缓冲电路;开关损耗:开通、关断过程产生

6、开关损耗,常超过通态损耗,是PWM变换器的主要损耗;门极驱动功率:电流触发、电压触发,辅助电源功率经常超过器件损耗;损耗价格$10005000/kW,FACTS控制器效率98%,变换器管阀损耗1%,经济性要求;损耗对器件的封装和冷却影响大,晶圆正常工作温度< 100。81 概述:电力半导体开关器件参数折衷电压、电流能力门极驱动功率du/dt、di/dt能力开通、关断时间开通、关断能力特性的一致性原始单晶硅质量生产环境等级美国ONR的PEBB计划91 概述:电力半导体开关器件材料器件生产过程:高纯单晶硅,几m长,直径150mm,飘浮炉生长,切片后变成晶圆,晶圆经掺杂、中子辐射、高温扩散、激

7、光切割、蚀刻、绝缘和封装一系列复杂工艺后变成成品电力开关器件;半导体物理:硅原子(4个电子;磷原子(5个电子,轻度掺杂n-,重度掺杂n+;硼原子(3个电子,轻度掺杂p-,重度掺杂p+;电子、空穴;多数载流子、少数载流子、内部载流子;内部载流子密度10101013/cm3,中子辐射后变为5×1012/cm3。101 概述:电力半导体开关实现 112 D:重要性二极管整流器简单、便宜,可有效地给FACTS控制器提供有功;VSC中与可关断晶闸管反并联构成续流回路,多电平VSC中间电平的连接;CSC中与可关断晶闸管串联,具备反向电压阻断能力;缓冲和驱动电路中使用;FACTS中几乎一半左右的开

8、关器件是电力二极管。1213 2 D:符号、结构、单PN结载流子的2种运动:密度不同引起的扩散,外加电压形成的漂移;管压降:断态1V,通态1.53V;少数载流子器件;N层厚,P层薄,反向电压承受能力大,通态损耗高;N +层的作用;反向关断电流问题;VSC中反并联二极管必须开关速度快、存储电荷少。2个PN结,3层三明治结构Array(P+N+P;发射极P层宽,基极N层窄,集电极P层窄并重度掺杂。142个PN结,3层三明治结构(N+P+N;发射极N层重度掺杂,集电极N层轻度掺杂,基极P 层轻度掺杂。153 BJT:正向导通特性基极电流决定器件饱和电流;正常工作时,基极电流高,器件电流和正向压降受限

9、,通态损耗低;基极电流受限时,器件电流沿饱和线受限,可用于外部故障时小功率变换器的限流保护,器件快速安全关断;电力晶体管可等效为众多小晶体管单元并联而成。1617 3 BJT:达林顿晶体管增加电流放大晶体管,解决电流增益低的问题。4 MOSFET:符号、结构、特性开关速度快、开关损耗Array低,电压型控制,门极容性耦合,小功率应用场合,不适合大功率应用;P-MOSFET和N-MOSFET;SiO绝缘层,沟道概念,漏极重度掺杂形成缓冲区,防止耗尽层接近金属,同时减小通态压降,不对称器件,反向阻断电压能力差;驱动功率小、通态压降高、通态损耗大;正向导通特性与BJT类似。1819 5 SCR:符号

10、、结构、电路、原理再生电路原理,饱和导通,正向短路,单个PN结,通态压降低;P层为门极,N层也可,但所需基极电流大;关断后存储电荷由反向电压清除恢复,关断时间ms级。3结4层结构,单向开关器件,可控开通、不控关断;关断能力的有无关系到器件耐量、成本、控制和损耗的高低;双晶体管结构NPN+PNP;5 SCR:特性 SPCO照片,125mm的SCR晶圆,5kA/5kV,螺旋型放大控制门极结构;快速导通特性,短时故障电流处理能力,开通损耗低;可外加高电压小电流控制SCR来提高增益、减小门极开通功率;可用特定带宽的光辐射门极来开通,称为光触发SCR;高du/dt也可触发SCR,容性耦合,不可靠,会损坏

11、器件;正向电压过高也会触发SCR,同样不可靠,损伤器件;205 SCR:特性(续触发时需一定的正向电压或上升率,否则出现软开通,开通损耗大,会损坏器件;高温时,负温度系数,有利于同时开通和关断,内部载流子和掺杂载流子增多,通态压降变低;一旦开通,需要擎住电流保持通态,通常为额定电流的百分之几,门极驱动需要补发脉冲;过载能力强,2倍的过流能力(几秒,10倍的过流能力(100ms,50倍的短路电流能力(20ms。2122 6 GTO:符号、结构、电路、原理自关断能力,latch-on,latch-off;关断电流较大,开通电流只有35%,关断电流将达3050%,关断所需能量是开通能量的1020倍,

12、GTO开通能量又是SCR开通能量的1020倍,关断电路大小和造价与器件相当;GTO含无数SCR阴极,门极、漂移区和阳极公共,结构复杂,无内置门极放大,通态压降比SCR高50%,但比IGBT低50%;阴极复杂,生产环境要求更清洁,造价是SCR的2倍左右;与SCR一样,同样需进行参数折衷。6 GTO:特性左图为2kA/4.5kV的GTO晶圆,77mm,阴极环形岛结构,余下是门极;VSC中常用,常反并联快恢复二极管,GTO无需反向电压阻断能力,可增加缓冲层n+,减小通态压降、增加电压电流耐量,不对称GTO;结温限制100,过载能力强,与SCR类似;为成功关断,需用阻尼电路减小正向电压上升率;阳极PN

13、结轻度掺杂,承受阻断电压,而阴极PN结重度掺杂,击23穿电压在20V左右。24 6 GTO:开通和关断过程开通时,需10s、5%以上的门极电流,门极电路电感导致延迟时间ms级,VSC中,开通电流包括换流电流和二极管的反向漏电流;开通后,需要0.5%的维持电流;关断时,需20s、30%以上的反向门极电流,阴极区需存储时间导致延迟,拖曳电流是关断损耗的主要部分;主要缺点是关断对驱动的要求高,关断时间长、di/dt和du/dt能力差、缓冲电路复杂、造价和损耗大,开关频率限制在几百Hz,大功率应用足够,已达几百MW;理想电力半导体开关器件:SCR的通态压降+IGBT的门极驱动要求和快速关断能力,MTO

14、、ETO和IGCT都是GTO的改进型。25 7 MTO:符号、结构、原理MTO=MOSFET+GTO,MOSFET 加在GTO周围,无需大电流关断脉冲,紧密封装减小杂散电感,减小关断存储时间,提高器件性能;双门极结构,1个开通,1个关断;开通过程与GTO类似;关断时用15V、1 2s电压脉冲,无存储时间,更快,关断损耗减小,du/dt高,缓冲器小;MTO几乎同时关断,易无匹配串联;过流能力强,能克服IGBT过流保护的缺点;关断拖曳电流依然存在,SPCO建议在阳极侧增加1个门极以加速阳极区的电荷耗散,已有整体设计方案。7 MTO:电路、晶圆 2627 8 ETO:符号、电路、原理ETO=GTO+

15、MOSFET;N-MOSFET与GTO串联,P-MOSFET连接在阴极和门极之间;双门极结构;关断时T1断,阴极电流通过T2进入基极,再生闩锁状态停止,快速关断,T1、T2均为低压;优点是阴极电流转移完全、快速、各个阴极几乎同时关断;缺点是T1流过GTO电流,通态压降和损耗高,增加0.30.5V;快速开关、驱动功率小、缓冲器小;关断拖曳电流依然存在。28 9 GCT、IGCT:结构、原理GCT:硬关断GTO,快速大电流脉冲,1s内快速关断;IGCT:GCT,多层PCB门极驱动,含反向二极管;尽可能减小门极电路电感,驱动电压20V时,门极电流上升率可达4kA/s,门极驱动功率是GTO的1/5;与

16、GTO、MTO、ETO一样,阳极n有缓冲层,减小通态损耗,器件不对称;阳极p层薄、轻度掺杂,关断时快速移动阳极电荷;反向二极管n +n -p结,n -层厚度减小40%,反向二极管通态压降与独立二极管一样。299 GCT、IGCT:晶圆、特性左图为IGCT,含GCT和极低电感门极驱动封装,图中下方为两个不同的GTO晶圆,右边的一个GTO含反并联二极管;MTO、ETO和GCT均脱胎于GTO,减小门极电感,关断时尽可能快地抽取阴极电流,使du/dt高、关断快且同时、电流关断能力强、缓冲容量小、串联容易;门极驱动的杂散电感、电容和母线连接方式对器件的损耗、缓冲电路等影响巨大,PEBB概念。3010 I

17、GBT:符号、电路、结构高压大电流,通态压降适中;部分SCR,部分BJT,部分MOSFET;双晶体管结构;MOS技术复杂,IGBT大小1cm 2,并联构成大功率器件;多数载流子器件,开关速度快,通态压降比GTO高;可控制门级电压限流,ms级应用,高速保护关断;中等功率应用场合,最高10MW,规模生产,路径依赖;电压阻断能力不强,生产环境要求高。11 MCT:符号、电路、结构3111 MCT:特性MCT中有MOSFET结构,导通和关断过程与之类似;N-MOSFET用于开通,P-MOSFET用于关断;开通时N-MOSFET通,P-MOSFET断,关断时N-MOSFET断,P-MOSFET通;开通和

18、关断快、开关损耗低、驱动功率小、延迟和存储时间短、通态压降低;优点在于MOS门极分散,与分布式阴极非常近,开关时速度快、通态压降小、损耗低。3212 小结二极管D:不控,电压高,电流大;晶闸管SCR:半控,脉冲电流触发开通,电压高,电流大,压降小,开关速度不快。双极性结型晶闸管BJT:全控,持续电流导通,压降较大,开关速度较快,驱动功率较大,中等电压电流。门极可关断晶闸管GTO:全控,正(负脉冲电流开通(关断,压降不大,开关速度不快,关断脉冲电流大,电压高,电流大。MOS场效应管MOSFET:全控,持续电压控制导通,工作电压电流不大,压降大,驱动功率小,开关速度快,适宜高频应用。3312 小结(续绝缘门极双极性晶体管IGBT:全控,持续电压控制导通,压降较大,驱动功率小,开关速度较快,电压电流中等。MOS控制晶闸管MCT:全控,MOSFET管控制开通和关断,控制功率小,压降不大,适用于开关频率不太高的高压大电流应用。集成门极换流晶闸管IGCT:全控,控制功率小,压降不大,适用于开关频率不太高的高压大电流应用。MOS关断晶闸管MTO:正向GK脉冲电流开通(与普通晶闸管相1同,GK加驱动电压与MCT一样关断MTO。23435大不大