功率器件的发展历程

1、功率器件的发展历程IGBT；GTRGTOMOSFETIGBT、IGCT2009-12-0808:49引言电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。从1958年美国通用电气（GE）公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。到了70年代，晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的系列产品。同时，非对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世，广泛应用于各

2、种变流装置。由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响应快等优点，具研制及应用得到了飞速发展。由于普通晶闸管不能自关断，属于半控型器件，因而被称作第一代电力电子器件。在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，先后出现了GTRGTO功率MOSET等自关断、全控型器件，被称为第二代电力电子器件。近年来，电力电子器件正朝着复合化、模块化及功率集成的方向发展，如IGPT、MCTHVIC等就是这种发展的产物。电力整流管整流管产生于本世纪40年代，是电力电子器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管

3、等三种主要类型。其中普通整流管的特点是：漏电流小、通态压降较高（1018V）、反向恢复时间较长（几十微秒）、可获得很高的电压和电流定额。多用于牵引、充电、电镀等对转换速度要求不高的装置中。较快的反向恢复时间（几百纳秒至几微秒）是快恢复整流管的显著特点，但是它的通态压降却很高（1640V）。它主要用于斩波、逆变等电路中充当旁路二极管或阻塞二极管。肖特基整流管兼有快的反向恢复时间（几乎为零）和低的通态压降（0.30.6V）的优点，不过其漏电流较大、耐压能力低，常用于高频低压仪表和开关电源。目前的研制水平为：普通整流管(8000V/5000A/400Hz);快恢复整流管(6000V/1200A/10

4、00Hz);肖特基整流管(1000V/100A/200kHz)。电力整流管对改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面都具有非常重要的作用。随着各种高性能电力电子器件的出现，开发具有良好高频性能的电力整流管显得非常必要。目前，人们已通过新颖结构的设计和大规模集成电路制作工艺的运用，研制出集PIN整流管和肖特基整流管的优点于一体的具有MPSSPEEB口SS格结构的新型高压快恢复整流管。它们的通态压降为1V左右，反向恢复时间为PIN整流管的1/2,反向恢复峰值电流为PIN整流管的1/3。普通晶闸管及其派生器件晶闸管诞生后，其结构的改进和工艺的改革，为新器件的不断出现提供了条件

5、。1964年，双向晶闸管在GE公司开发成功，应用于调光和马达控制；1965年，小功率光触发晶闸管出现，为其后出现的光耦合器打下了基础；60年代后期，大功率逆变晶闸管问世，成为当时逆变电路的基本元件；1974年，逆导晶闸管和非对称晶闸管研制完成。普通晶闸管广泛应用于交直流调速、调光、调温等低频(400Hz以下)领域，运用由它所构成的电路对电网进行控制和变换是一种简便而经济的办法。不过，这种装置的运行会产生波形畸变和降低功率因数、影响电网的质量。目前水平为12kV/1kA和6500V/4000A。双向晶闸管可视为一对反并联的普通晶闸管的集成，常用于交流调压和调功电路中。正、负脉冲都可触发导通，因而

6、其控制电路比较简单。其缺点是换向能力差、触发灵敏度低、关断时间较长，其水平已超过2000V/500A。光控晶闸管是通过光信号控制晶闸管触发导通的器件，它具有很强的抗干扰能力、良好的高压绝缘性能和较高的瞬时过电压承受能力，因而被应用于高压直流输电(HVDC静止无功功率补偿(SVC)等领域。其研制水平大约为8000V/3600A。逆变晶闸管因具有较短的关断时间（1015s）而主要用于中频感应加热。在逆变电路中，它已让位于GTRGTOIGBT等新器件。目前，其最大容量介于2500V/1600A/1kHz和800V/50A/20kHz的范围之内。非对称晶闸管是一种正、反向电压耐量不对称的晶闸管。而逆导

7、晶闸管不过是非对称晶闸管的一种特例，是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。与普通晶闸管相比，它具有关断时间短、正向压降小、额定结温高、高温特性好等优点，主要用于逆变器和整流器中。目前，国内有厂家生产3000V/900A的非对称晶闸管。全控型电力电子器件门极可关断晶闸管（GTO1964年，美国第一次试制成功了500V/10A的GTO在此后的近10年内，GTO勺容量一直停留在较小水平，只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进行试用。自70年代中期开始，GTO勺研制取得突破，相继出世了1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A的产品，目前已达9kV/25k

8、A/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。GTOT对称、非对称和逆导三种类型。与对称GTOf目比，非对称GTO1态压降小、抗浪涌电流能力强、易于提高耐压能力（3000V以上）。逆导型GTO是在同一芯片上将GTOW整流二极管反并联制成的集成器件，不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中。在当前各种自关断器件中，GT席量最大、工作频率最低（12kHz）。GTB电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流；GTO通态压降大、dV/dT及di/dt耐量低，需要庞大的吸收电路。目前，GTOS然在低于2000V的某些领域内已被GT济口IGRT等所替代，但它在大功率电力牵引中有明显优势；今

9、后，它也必将在高压领域占有一席之地。大功率晶体管（GTRGT幅一种电流控制的双极双结电力电子器件，产生于本世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR勺缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTRE逐步被功率MOSFE和IGBT所代替。功率MOSFET功率MOSFE是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电

10、压来控制漏极电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小；仅由多数载流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达100kHz以上，为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合；没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。功率MOSFE的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz复合型电力电子器件绝缘门极双极型晶体管（IGBT）IGBT是由美国GE公司和RC心司于1983年首先研制的，当时容量仅500V/20A,且存在一些技术问题。经过几年改进，IGBT于19

11、86年开始正式生产并逐渐系列化。至90年代初，IGBT已开发完成第二代产品。目前，第三代智能IGBT已经出现，科学家们正着手研究第四代沟梢栅结构的IGBT。IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使IGBT导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使IGBT因流过反向门极电流而关断。IGBT集GTRS态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFE驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。比较而言，IGB

12、T的开关速度低于功率MOSFET却明显高于GTRIGBT的通态压降同GTRlf近，但比功率MOSFE驱得多；IGBT的电流、电压等级与GTR妾近，而比功率MOSFE驱。目前，其研制水平已达4500V/1000A。由于IGBT具有上述特点，在中等功率容量（600V以上）的UPS开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中，IGBT已逐步替代GTF为核心元件。另外，IR公司已设计出开关频率高达150kHz的WAR源歹U400600VIGBT具开关特性与功率MOSFE接近，而导通损耗却比功率MOSFE低得多。该系列IGBT有望在高频150kHz整流器中取代功率MOSFET并大大降低开关损耗。IGBT的发展

13、方向是提高耐压能力和开关频率、降低损耗以及开发具有集成保护功能的智能产品。MO隧制晶闸管（MCT）MCTt早由美国GE公司研制，是由MOSFET晶闸管复合而成的新型器件。每个MC璐件由成千上万的MC玩组成，而每个元又是由一个PNPN1闸管、一个控制MCTi通的MOSFE和一个控制MC送断的MOSFET成。MCTT作于超掣住状态，是一个真正的PNPN件，这正是其通态电阻远低于其它场效应器件的最主要原因。MCTE具备功率MOSFE输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是IGBT或GTR勺1/3,而开关速度

14、则超过GTR此外，由于MCT的MOSFET能控制MCTE片的全面积通断，故MC俱有很强的导通di/dt和阻断dV/dt能力，具值高达2000A/s和2000V/s。具工作结温亦高达150200Co已研制出阻断电压达4000V的MCT75A/1000VMCE应用于串联谐振变换器。随着性能价格比的不断优化，MCT若逐渐走入应用领域并有可能取代高压GTO与IGBT的竞争亦将在中功率领域展开。功率集成电路（PIC）PIC是电力电子器件技术与微电子技术相结合的产物，是机电一体化的关键接口元件。将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，就制成了PIC。一般认为，PIC的额

15、定功率应大于1W功率集成电路还可以分为高压功率集成电路（HVIC）、智能功率集成电路（SPIC）和智能功率模块（IPM）。HVIC是多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路在单片上的集成，由于它的功率器件是横向的、电流容量较小，而控制电路的电流密度较大，故常用于小型电机驱动、平板显示驱动及长途电话通信电路等高电压、小电流场合。已有110V/13A和550V/0.5A、80V/2A/200kHz以及500V/600mA勺HVIC分别用于上述装置。SPIC是由一个或几个纵型结构的功率器件与控制和保护电路集成而成，电流容量大而耐压能力差，适合作为电机驱动、汽车功率开关及调压器等。IPM除了集成功率器件和

16、驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故障监测电路，并可将监测信号传送至CPU以保证IPM自身在任何情况下不受损坏。当前，IPM中的功率器件一般由IGBT充当。由于IPM体积小、可靠性高、使用方便，故深受用户喜爱。IPM主要用于交流电机控制、家用电器等。已有400V/55kW/20kHzIPM面市。自1981年美国试制出第一个PIC以来，PIC技术获得了快速发展；今后，PIC必将朝着高压化、智能化的方向更快发展并进入普遍实用阶段。电力电子器件的应用已深入到工业生产和社会生活的各个方面，实际的需要必将极大地推动器件的不断创新。微电子学中的超大规模集成电路技术将在电力电子器件的制作中得到更广泛的

17、应用；具有高载流子迁移率、强的热电传导性以及宽带隙的新型半导体材料，如碎化钱、碳化硅、人造金刚石等的运用将有助于开发新一代高结温、高频率、高动态参数的器件。从结构看，器件将复合型、模块化；从性能看，发展方向将是提高容量和工作频率、降低通态压降、减小驱动功率、改善动态参数和多功能化；从应用看，MPSt力整流管、MOSFETIGBT、MCT最有发展前景的器件。今后研制工作的重点将是进一步改善MPS勺软反向恢复特性，提高IGBT和MCT勺开关频率和额定容量，研制智能MOSFETIGBT模块，发展功率集成电路以及其它功率器件。GTOB继续在超高压、大功率领域发挥作用；功率MOSFE在高频、低压、小功率

18、领域具有竞争优势；超高压（8000V以上）、大电流普通晶闸管在高压直流输电和静止无功功率补偿装置中的作用将会得到延续，而低压普通晶闸管和GTR®将逐步被功率MOSFET（600V下）和IGBT（600V以上）所代替；MCT最具发展前途。可以预见，电力电子器件的发展将会日新月异，电力电子器件的未来将充满生机。新型电力电子器件IGCT及其应用2010-3-2416:47:00来源：作者：IGCT是一种在大功率开关器件GTO基础上改进而成的新型大功率电力电子器件。和GTO相比，IGCT的关断时间降低了30%,功耗降低40%。IGCT不需要吸收电路，可以像晶闸管一样导通，像IGBT一样关断，

19、并且具有最低的功率损耗。IGCT在使用时只需将它连接到一个20V的电源和一根光纤上就可以控制它的开通和关断。由于IGCT设计理想，使得IGCT的开通损耗可以忽略不计，再加上它的低导通损耗，使得它可以在以往大功率半导体器件所无法满足的高频率下运行。概述一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在截止状态时，能承受较高的电压；在导通状态时，能承受大电流并具有很低的压降；在开关转换时，开/关速度快，能承受很高的di/dt和dv/dt,同时还应具有全控功能。自从50年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈的努力。60年代后期，可关断晶闸管GTO实现了门极

20、可关断功能，并使斩波工作频率扩展到1kHz以上。70年代中期，高功率晶体管和功率MOSFET问世，功率器件实现了场控功能，打开了高频应用的大门。80年代，绝缘栅门控双极型晶体管（IGBT）问世，它综合了功率MOSFET和双极型功率晶体管两者的功能。它的迅速发展，又激励了人们对综合功率MOSFET和晶闸管两者功能的新型功率器件-MOSFET门控晶闸管的研究。因此，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、MOS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。大功率器件及其发展门极关断晶闸管（GTO）大功率晶闸管（SCR）在过去相当一段时间内，几乎是能够承受高电压和大电

21、流的唯一半导体器件。因此，针对SCR的缺点，人们很自然地把努力方向引向了如何使晶闸管具有关断能力这一点上，并因此而开发出了门极关断晶闸管。用GTO晶闸管作为逆变器件取得了较为满意的结果，但其关断控制较易失败，故仍较复杂，工作频率也不够高。而几乎是与此同时，电力晶体管（GTR）迅速发展起来，使GTO晶闸管相形见绰。因此，在大量的中小容量变频器中，GTO晶闸管已基本不用。但因其工作电流大，故在大容量变频器中仍居主要地位。绝缘栅双极晶体管（IGBT）IGBT是MOSFET和GTR相结合的产物。其主体部分与晶体管相同，也有集电极（C）和发射极（E）,但驱动部分却和场效应晶体管相同，是绝缘栅结构。IGB

22、T的工作特点是：控制部分与场效应晶体管相同，控制信号为电压信号UGE,输人阻抗高，栅极电流IG0,驱动功率很小。而其主电路部分则与GTR相同，工作电流为集电极电流输入。止匕外，其工作频率可达20kHz。由IGBT作为逆变器件的变频器的载波频率一般都在10kHz以上，故电动机的电流波形比较平滑，基本无电磁噪声。虽然硅双极型及场控型功率器件的研究已趋成熟，但是它们的性能仍在不断提高和改善，近年来出现的集成门极换流晶闸管（IGCT）可望迅速地取代GTO。集成门极换流晶闸管（IGCT）集成门极换流晶闸管IGCT（IntegratedGateCommutatedThyristor是1996年问世的一种新

23、型半导体开关器件。该器件是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的。门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一种新型电力半导体器件，它不仅有与GTO相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，即它是GTO和IGBT相互取长补短的结果，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适合用于6kV和10kV的中压开关电路。IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器容量0.5M3MVA,三电平逆变器1M6MVA。若反向二极管分离，不与IGCT集成在一起，二电平逆变器容量可扩至4.5MVA,三电平扩至9MVA,现在已有这类器件构成的变频器系列产品。目前，IGCT已经商品化，

24、ABB公司制造的IGCT产品的最高性能参数为4.5kV/4kA,最高研制水平为6kV/4kA。1998年，日本三菱公司开发了直径为88mm的6kV/4kA的GCT晶闸管。IGCT的结构与工作原理IGCT与GTO相似，也是四层三端器件，GCT内部由成千个GCT组成，阳极和门极共用，而阴极并联在一起。与GTO的重要差别是GCT阳极内侧多了缓冲层，以透明（可穿透）阳极代替GTO的短路阳极。具导通机理与GTO一样，但关断机理与GTO完全不同。在GCT的关断过程中，GCT能瞬间从导通转到阻断状态，变成一个PNP晶体管以后再关断，所以，它无外加du/dt限制；而GTO必须经过一个既非导通又非关断的中间不稳

25、定状态进行转换，即"GTO区"，所以GTO需要很大的吸收电路来抑制重加电压的变化率du/dt。阻断状态下GCT的等效电路可认为是一个基极开路、低增益PNP晶体管与门极电源的串联。GCT无中间区、无缓冲关断的机理在于，强关断时可使它的阴极注入瞬时停止，不参与以后过程。改变器件在双极晶体管模式下关断，前提是在P基N发射结外施加很高负电压，使阳极电流很快由阴极转移(或换向)至门极(门极换向晶闸管即由此得名)，不活跃的NPN管一停止注入，PNP管即因无基极电流容易关断。GCT成为PNP管早于它承受全阻断电压的时间，而GTO却是赞CR转态下承受全阻断电压的，所以GCT可像IGBT无缓

26、冲运行，无二次击穿，拖尾电流虽大但时间很短。IGCT的关键技术(1)缓冲层在传统GTO、二极管及IGBT等器件中，采用缓冲层形成穿通型(PT)结构，与非穿通型(NPT)结构相比，它在相同的阻断电压下可使器件的厚度降低约30%。同理，在GCT中采用缓冲层，即用较薄的硅片可达到相同的阻断电压，因而提高了器件的效率，降低了通态压降和开关损耗，可得到较好的VT-Eoff。同时，采用缓冲层还使单片GCT与二极管的组合成为可能。(2)透明阳极为了实现低的关断损耗，需要对阳极晶体管的增益加以限制，因而要求阳极的厚度要薄，浓度要低。透明阳极是一个很薄的PN结，其发射效率与电流有关。因为电子穿透该阳极时就像阳极

27、被短路一样，因此称为透明阳极。传统的GTO采用阳极短路结构来达到相同目的。采用透明阳极来代替阳极短路，可使GCT的触发电流比传统无缓冲层的GTO降低一个数量级。GCT的结构与IGBT相比，因不含MOS结构而从根本上得以简化。(3)逆导技术GCT大多制成逆导型，它可与优化续流二极管FWD单片集成在同一芯片上。由于二极管和GCT享有同一个阻断结，GCT的P基区与二极管的阳极相连，这样在GCT门极和二极管阳极间形成电阻性通道。逆导GCT与二极管隔离区中因为有PNP结构，其中总有一个PN结反偏，从而阻断了GCT与二极管阳极间的电流流通。(4)极驱动技术IGCT触发功率小，可以把触发及状态监视电路和IG

28、CT管芯做成一个整体，通过两根光纤输入触发信号，输出工作状态信号。GCT与门极驱动器相距很近(间距15cm),该门极驱动器可以容易地装人不同的装置中，因此可认为该结构是一种通用形式。为了使IGCT的结构更加紧凑和坚固，用门极驱动电路包围GCT,并与GCT和冷却装置形成一个自然整体，称为环绕型IGCT,其中包括GCT门极驱动电路所需的全部元件。这两种形式都可使门极电路的电感进一步减小，并降低了门极驱动电路的元件数、热耗散、电应力和内部热应力，从而明显降低了门极驱动电路的成本和失效率。所以说，IGCT在实现最低成本和功耗的前提下有最佳的性能。另外，IGCT开关过程一致性好，可以方便地实现串、并联，进一步扩大功率范围。总之，在采用缓冲层、透明阳极、逆导技术和门极驱动技术后，IGCT从GTO中脱颖而出，在所有中高压领域及功率为0.5M100MVA的应用中代替了GTO。IGCT变频器低压IGBT和高压IGBT在高电压变频器中都采用。IGBT具有快速的开关性能，但在高压变频中其导电损耗大，而且需要许多IGBT复杂地串联在一起。对低压IGBT来讲，高压IGBT串联的数量相对要少一些，但导电损耗却更高。元件总体