電力電子器件

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(zhǎng)、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

2、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器 件，以及單極型 MOS功率場(chǎng)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(hào)能 控制元件 的導(dǎo)通， 但不能控制其關(guān) 斷，稱半控型器件。可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管等器件，其門極信號(hào)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

3、，電路簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)調(diào)速、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁 、感應(yīng)加熱、電鍍、電解電源、直接輸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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)，希望各元件能承受同樣的正、反向電壓； 并聯(lián)時(shí)則希望各 元件能

4、分擔(dān)同樣的電流。 但由于器件的個(gè)異性，串、并聯(lián)時(shí)， 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(shí)， 要采取均壓措施； 在并聯(lián)時(shí)， 要采取均流措施。電力電子器件工作時(shí)，會(huì)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

5、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（ 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 5001

6、kV/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(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（ 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(duì) 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

7、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)用方面再上一個(gè)臺(tái)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(shí)間（數(shù) ns）的放電閉合開關(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(zhǎng)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

8、子壽命很長(zhǎng)，門 - 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(shí)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。 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

9、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?yàn)樵趯?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(dòng)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(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/s。對(duì)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(dòng)電路的電感比較容易實(shí) 現(xiàn)。 IGCT之所以具

10、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。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(shí)，門、陰極間可立即形成耗盡層，這時(shí)，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(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 門陰極在內(nèi)的門極驅(qū)動(dòng)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(gè)

11、特點(diǎn)是有一個(gè)極低的引線電感與管餅集成在一起的門極驅(qū)動(dòng)器。IGCT 用多層薄板狀的襯板與主門極驅(qū)動(dòng)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(dòng)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 率地用于 300 kVA10MVA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 IG

12、BT 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(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

13、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(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(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類似的平板壓接結(jié)構(gòu)， 采用更高效的芯片兩端散熱

14、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?jī)H為GTO

15、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(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 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(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

16、長(zhǎng)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(dòng)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(duì)MCT的研究。 MOS門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

17、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(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

18、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(duì)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(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