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功率半导体器件入门知识科普1 .常用的功率半导体器件知识大汇总电力电了罂件(PoWCrE1.ectronicDevice).乂称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功摩通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)虫壬器件。可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中超回食为半控型涔件，承受电压和电流容量在所有器件中最高；电力二为不可控器件，结构和原理简单，工作可能:还可以分为电用驱动型潜件和电流驱动型器件，其中GT()、GTR为电流驱动型器件，IGBT,电力MOSFET为电压驱动型器件。1. MCT(MOSContro1.1.edThyristor)：MOS控制晶闸管MCT的等效电路图MCT是一种新型MoS与双极复合型器件。如上图所示。MCT是将MOSI-ET的高阻抗、低卵动图MCT的功率、快开关速度的特性与晶闻管的施丞、大电流特型结合在一起，形成大功率、高压、快速全控型涔件。实质上MCT是一个MOS门极控制的晶闸管.它可在门极上加一空脉冲使其导通或关断，它由无数单胞并联而成“它与GTR,MOSFET,IGBT,GTO等器件相比，有如下优点：(1)电压高、电流容量大，阻断电压己达3OOOV,峰值电流达1000A.最大可关断电流密度为6OOOkA/m2：(2)通态压降小、损耗小，通态压降约为UY;(3)极高的dv/dt和di/dt耐量,dv/dt已达20kV/s,di/dt为2kA/s：(4)开关速度快，开关损耗小，开通时间约200ns,1000V器件可在2S内关断；2. IGCT(IntergratedGateConmutatedThyristors)IGCT是在晶闸管技术的施础上结合IGBT和GTO等技术开发的新型器件，适用于高压大容量变频系统中，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。IGCT是将GTO拉比与反并联二极管和门极蚣四国集成在一起，再与其门极器在:外国以低电感方式连接，结合了触堂的程定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点0在导通阶段发挥品闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCr芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器功率0.5、3MU；三电平逆变器6VW；若反向二极管分离，不与IGCr集成在一起，二电平逆变器功率可扩至4/5MW,三电平扩至9Wo目前，IGCT已经商品化，BB公司制造的IGCT产品的最高性能参数为415kV/4kA,最高研制水平为6kV4kA。1998年，日本三菱公司也开发了直径为88m的GeT的晶闸管IGCT损耗低、开关快速等优点保证了它能可靠、高效率地用于300"10MW变流器,而不需耍印联和并联。3. IEGT(InjectionEnhancedGateTransistor)电子注入增强概晶体管IEGT是耐压达4kV以上的IGBT系列电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使大容量电力电子罂件取得了匕跃性的发展。IEGT具有作为MoS系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、而耐压、有源栅驱动居唯化等特点，以及采用沟梢结构和多芯片并联而自均流的特性，使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。另外，通过模块封装方式还可提供众多派生产品，在大、中容星变换沿应用中被寄予厚望。日本东芝开发的IECT利用f电子注入增强效应，使之兼有IGBT和GTO两者的优点：低饱和压降，安全工作区(吸收回路容身仅为GTo的十分之一左右)，低栅极驱动功率(比GT0低两个数量级)和较高的工作频率。器件采用平板压接式电机引出结构，可靠性高,性能已经达到4.5kV/1500的水平。4. IPEM(IntergratedPowerE1.ectronicsModUIeS):集成电力电子模块IPEM是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。它首先是招半导体蹲件MoSFET,IGBT或MCT与二极管的钊生谶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的高电导率的绝缘陶费衬底上，在它的下面依次是铜基板、氧化被遵片和散热片,在积木单元的上部，则通过表面贴装将控制电路、门极驱动、电流和温度传桃器以及保护电路朱成在一个薄绝缘层上。IPEM实现了电力电子技术的智能化和模块化，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5. PEBB(PowerE1.ectricBuiIdingB1.ock):典型的PEBB电力电子积木PEBB(PowerE1.ectricBuik1.ingB1.ock)是在IPEM的基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。PEBB并不是一种特定的半导体器件，它是依照最优的电路结构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。典型的PEBB上图所示。虽然它看起来很像功率半导体模块,但PEBB除了包括功率半导体器件外，还包括门极驱动电路、电平转换,传感器、保护电路、涯和无源器件。PEBB有能量按£1和通讯接口。通过这两种接口，几个PEBB可以组成电力电子系统。这些系统可以像小型的区-DC转换器一样简单,也可以像大型的分布式心力系统那样更杂。个系统中，PEBB的数量可以从个到任意多个。多个PEBB模块一起工作可以完成电压转换、能量的储存和转换、阴抗匹配等系统级功能，PEBB最重要的特点就是其通用性.6 .超大功率晶闸管品闸管(SCR)自问世以来，其功率容室提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产8kV/4k的晶闸管。日本现在已投产8kV/4kA和6kV/6k的光触发晶闸管(1.n)美国和欧洲主要生产电触发晶闸管.近十几年来，由丁自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC、静止无功补偿(SYC)、大功率直流电源及超大功率和高质变频调速应用方面仍占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，品闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到维续发展.现在，许多生产商可提供额定开关功率36MVA(6kV6k)用的高压大电流GTO.传统GTo的典型的关断增量仅为35.GTO关断期间的不均匀性引起的“挤流效应”使其在关断期间dv/dt必须限制在5001.kVs.为此,人们不得不使用体积大、昂贵的吸收电路。另外它的门极驱动电路较发杂和要求较大的期动功率。到目前为止，在高压(VBR>3.3kV)、大功率(0.520MVA)牵引、工业和电力逆变器中应用得最为普遍的是门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6in、6kV/6kA以及9kY10kA.为了满足电力系统对IGVA以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很有可能开发出IOkA12kV的GTO,并有可能解决30多个高压GTO串联的技术，可望使电力电子技术在电力系统中的应用方面再上个台阶。7 .脉冲功率闭合开关品闸管该器件特别适用于传送极强的峰值功率（数W）、极短的持续时间（数ns）的放电闭合开关应用场合，如：激光器、高强度照明、放电点火、电磁发射器和雷达调制器等。该器件能在数kV的高压下快速开通，不需要放电电极，具有很长的使用寿命，体积小、价格比较低，可望取代目前尚在应用的高压离子闸流管、引燃管、火花间隙开关或爽.空开关等。该器件独特的结构和工艺特点是：门-阴极周界很长并形成离度交织的结构，门极面枳占芯片总面枳的90%,而阴极面积仅占10%;基区空穴-电子寿命很长，门-阴极之间的水平距离小于一个扩散长度.上述两个结构特点确保了该器件在开通瞬间，阴极面积能得到100%的应用。此外,该器件的阴极电极采用较厚的金属层，可承受瞬时峰值电流。8 .新型GTO器件-集成门极换流晶闸管当前已有两种常规GTO的替代品：高功率的IGBT模块、新型GTO派生涔件-集成门极换流IGCT晶闸管。IGCT晶闸管是种新型的大功率器件，与常规GTO晶闸管相比，它具有许多优良的特性，例如,不用绫冲电路能实现可弁关断、存贮时间短、开通能力强、关断门极电荷少和应川系统（包括所有器件和外围部件如阳极电抗器和缓冲21逐等）总的功率损耗低等。9 .高功率沟槽栩结构IGBT（TrCnChIGBT）模块当今高功率IGBT模块中的IGBT元胞通常多采用沟槽棚结构IGBT.与平面栅结构相比，沟槽栅结构通常采用IUm加工精度，从而大大提高了元胞密度11由于门极沟的存在，消除了平面栅结构器件中存在的相邻元胞之间形成的结型场效应晶体管效应，同时引入了一定的电子注入效应，使得导通电阻卜降。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潦IGBT器件均采用这种结构.1996年日本三婺和日立公司分别研制成功3.3kV1.2kA巨大容量：的IGBT模块。它们与常规的GTO相比，开关时间缩短了20%,栅极驶动功率仅为GTO的1.1.（）（）01997年富士电机研制成功IkA25kV平板型IGBT,由丁集电、发射结采用了与GTO类似的平板压接结构，采用更有效的芯片两端散热方式，特别有意义的是，避免了大电流IGBT模块内部大量的电极引出线，提高了可除性和诚小了引线电感，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IGBT模块也可望成为高功率高电压变流器的优选功率器件。10 .电子注入增强栅晶体管IEGTdnjectionEnhancedGateTrangistor）近年来，日本东芝公司开发了IEGT,与IGBT一样，它也分平面栅和沟槽栅两种结构，前者的产品即将问世，后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO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GTO的1/10左右），低的榴极驱动功率（比GTO低2个数量级）和较高的工作频率。加之该落件采用了平板压接式电极引出结构，可望有较高的可驿性。与IGBT相比，1EGT结构的主要特点是栅极长度1.g较长，N长基区近栩极侧的横向蛔值较高，因此从集电极注入、长基区的空穴，不像在IGBT中那样，顺利地横向通过P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，发射极必须通过N沟道向、长其区注入大量的电子。这样就使N长基区发射极喇也形成了裔浓度我流子积累，在N长基区中形成与GTO中类似的栽流子分布，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4.5kV/IkA的水平。11 .MOS门控晶闸管MOS门极控制晶闸管充分地利用晶闸管良好的通态特性、优良的开通和关断特性，可望具有优良的臼关断动态特性、非常低的通态电压降和耐高压，成为将来在电力装置和电力系统中有发展前途的高压大功率潺件。目前世界上有十几家公司在积极开展对MCT的研究。MoS门控晶闸管主要有三种结构：MOS场控晶闸管OCT）、基极电阻控制晶闸管（BRT）及射极开关晶闸管（EST）.其中EST可能是MoS门控晶闸管中最有希望的一种结构。但是，这种器件要其正成为商业化的实用错件，达到取代GTO的水平，还需要相当长的一段时间。12 .研!化钱二极管随着变换器开关频率的不断提虑，对快恢复二极管的要求也随之提高。众所周知，具有比硅二极管优越的而频开关特性，但是由于工艺技术等方面的原因，冲化馀二极管的耐压较低，实际应用受到局限。为适应高压、高速、高效率和低EMI应用需要，高压珅化像高频整逡二板筏已在MOtOrOIa公司研制成功。与硅快恢复二极管相比，这种新型二极管的显著特点是：反向漏电流随温度变化小、开关损耗低、反向恢狂特性好.13 .碳化硅与碳化硅（SiC）功率器件在用新型半导体材料制成的功率M牛中，最有希望的是碳化硅（SiC）功率器件。它的性能指标比碑化绿器件还要高一个数量级，碳化硅与其他半导体材料相比，具有下列优异的物理特点：高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率。上述这些优异的物理特性，决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和电流条件下，SiC器件的漂移区电阻要比硅低200倍，即使高耐压的SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低得多。而且，SiC器件的开关时间可达IOnS量级，并具有十分优越的1.BSO,SiC可以用来制造射救和微波功率器件,各种高筑整流器，MESFETS,MoSFETS和JFETS等。SiC高频功率器件已在Motoro1.a公司研发成功，并应用于微波和射频装置。GE公司正在开发SiC功率器件和高温器件（包括用于喷气式引擎的传感涔）。西屋公司已经制造出了在26GHZ频率卜.工作的甚高频的MESFEToBB公司正在研制高功率、高电压的SiC整流器和其他SiC低频功率器件，用产工业和电力系统.