电力电子器件的最新发展现状.ppt

电力电子器件的最新发展现状 课程 电力电子器件 2 目录 电力电子器件的回顾IGBT模块的最新发展MCT MOS控制晶闸管IPEM 集成电力电子模块静电感应晶体管SIT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 3 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 不可控器件 电力二极管 PowerDiode 电力二极管在20世纪50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PN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 第一代电力电子器件上个世纪50年代 美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世 标志着电力电子技术的开端 此后 晶闸管 SCR 的派生器件越来越多 到了70年代 一 电力电子器件的回顾 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400Hz 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 全控型器件 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70年代后期以来 可关断晶闸管 GTO 电力晶体管 GTR或BJT 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 这些器件主要有等 众所周知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 在开关转换时 具有短的开 关时间 能承受高电压变化率和电流变化率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 下面就对近年来上述器件的最新发展加以综述 6 二 IGBT模块的最新发展 1 高功率沟槽栅结构IGBT TrenchIGBT 模块当今高功率IGBT模块中的IGBT元胞通常多采用沟槽栅结构IGBT 与平面栅结构相比 沟槽栅结构通常采用1 m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条件 所以近几年来出现的高耐压大电流IGBT器件均采用这种结构 该元件的发射结采用了与GTO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IGBT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IGBT模块也可望成为高功率高电压变流器的优选功率器件 2 新型大功率IGBT模块 电子注入增强栅晶体管IEGT InjectionEnhancedGateTrangistor 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 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 低的栅极驱动功率 比GTO低2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 IEGT之所以有前述这些优良的特性 是由于它利用了 电子注入增强效应 与IGBT相比 IEGT结构的主要特点是栅极长度Lg较长 N长基区近栅极侧的横向电阻值较高 因此从集电极注入N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N长基区注入大量的电子 这样就使N长基区发射极侧也形成了高浓度载流子积累 在N长基区中形成与GTO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4 5kV 1kA的水平 3 IGCT 集成门极换流晶闸管IGCT IntergratedGateCommutatedThyristors 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大进展 给电力电子成套装置带来了新的飞跃 IGC是将GTO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 关断阶段呈现晶体管的特性 IGCT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 采用晶闸管技术的GTO是常用的大功率开关器件 它相对于采用晶体管技术的IGBT在截止电压上有更高的性能 但广泛应用的标准GTO驱动技术造成不均匀的开通和关断过程 需要高成本的dv dt和di 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 价格较高 也不利于串联 但是 在大功率MCT技术尚未成熟以前 IGCT已经成为高压大功率低频交流器的优选方案 9 三 MCT MOS控制晶闸管 MCT MOSControlledThyristor 是将MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件 MCT将MOSFET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 也是Bi MOS器件的一种 一个MCT器件由数以万计的MCT元组成 每个元的组成为 一个PNPN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MOSFET MCT具有高电压 大电流 高载流密度 低通态压降的特点 其通态压降只有GTR的1 3左右 硅片的单位面积连续电流密度在各种 器件中是最高的 另外 MCT可承受极高的di dt和du dt 使得其保护电路可以简化 MCT的开关速度超高GTR 开关损耗也小 MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件 因此 20世纪80年代以来一度成为研究的热点 但经过十多年的研究 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 而其竞争对手IGBT却进展飞速 所以 目前从事MCT研究的人不是很多 11 四 IPEM 集成电力电子模块 IPEM IntergratedPowerElactronicsModules 是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块 它首先将半导体器件MOSFET IGBT或MCT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 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 12 五 静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH 1 静电感应晶体管SIT StaticInductionTransistor 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 它的源漏电流受栅极上的外加垂直电场控制 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 源间电压的控制 也受源 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 静电感应晶体管SIT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 在漏极上加一定的电压后 势垒下降 源漏电流开始流动 漏压越高 越大 亦即SIT的源漏极之间是靠漏电压的静电感应保持其连接的 因此称为静电感应晶体管 静电感应晶体管SIT主要有三种结构形式 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 表面电极结构适用于高频和微波功率SIT 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件 其特点是工艺难度小 成品率高 成本低 适于大量生产 和双极型晶体管相比 SIT具有以下的优点 线性好 噪声小 用SIT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 输入阻抗高 输出阻抗低 可直接构成OTL电路 SIT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 19 下工作正常 抗辐照能力比双极晶体管高50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 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 二 静电感应晶闸管SITH静电感应器件 SID 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SIT 双极型静电感应晶体管BSIT 静电感应晶闸管SITH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 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 并为机电融合一体化开辟新的道路 静电感应晶闸管是在SIT的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同的发射极层而得到的 因为其工作原理也与SIT类似 门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流 因此SITH又被称为场控晶闸管 FieldControlledThyristor FCT 与其它电力器件相比 SITH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 优良的动态性能以及强的抗烧性等优异性能 应用前景十分广阔 SITH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 负栅压使器件强迫关断 与普通晶闸管 SCR 及可关断晶闸管 GTO 相比有许多优点 SITH的通态电阻小 通态电压低 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 di dt及dv dt的耐量高 但是 其制造工艺比GTO复杂得多 电流关断增益较小 因而其应用范围还有待拓展 17 六 采用新型半导体材料制造的新型功率器件 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 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 GaAs 碳化硅 SiC 磷化铟 InP 及锗化硅 SiGe 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 一 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 低介电常数和高热导率的物理特点 其工作温度可达600 结耐压易于达 达到5kv 10kv 漏电流特别小 即使高耐压的SiC的场效应管的导通电压也比双极性硅器件的压降低 而且 SiC器件的开关时间可达10ns级 因此 碳化硅在高温 高频率 高功率的应用场合是极为理想的材料 SiC器件的研发将成为未来的一个主要趋势 但是 由于碳化硅器件的发展速度受到碳化硅材料完整性的制约 而且在SiC材料和功率器件的机理 理论和制造工艺等方面 还有大量问题有待解决 因此目前并没有得到广泛的应用 二 砷化镓材料 GaAs 也是一种很有发展前景的半导体材料 与Si材料相比 GaAs禁带宽度能量较高 其电子迁移率是Si材料的5倍 因此 GaAs元件具有很好的耐高温特性 有利于模块小型化 从而可减小寄生电容 提高开关频率 但由于GaAs材料禁带宽度大 故正向压降比较大 三 磷化铟材料 InP 是一种 族化合物半导体材料 它具有更高的击穿电场 更高的热导率 高场下更高 的电子平均速度 可作为高速 高频微波器件的材料 频率可340GHz 以硅器件为基础的电力电子器件开关性能已随其结构设