现代电力电子器件的现状与发展.doc

现代电力电子器件的发展摘要:介绍各种现代电力电子器件的特点、应用现状以及发展过程,分析了电力电子器件的最新发展情况及未来的发展趋势。关键词:电力电子器件；SiC器件；发展1 引言现代电力电子技术是从上世纪八十年代发展起来的一门新型学科的一门新型学科,它集电子技术、电力技术和控制理论于一体,已经发展成为一个涉及领域广阔的独立而日趋成熟的重要学科。现代电力电子技术无论对传统工业的改造还是对高新技术产业的发展都有着至关重要的作用,它涉及的应用领域包括国民经济的各个工业部门。毫无疑问,电力电子技术将成为21世纪的重要关键技术之一。电力电子技术是应用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术,其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础。以电力电子器件为核心的电力电子装置中器件所占的价值虽然只有装置总价值的20%-30%左右,但器件的性能对整个装置的各项技术指标和性能有着重要的影响。电力电子器件又称为开关器件,是应用于电力领域的电子器件,其控制功率范围可以从1W以下到数百MW,甚至GW.对于电力电子器件而言,它的工作特性应当是:导通状态能流过大电流且导通电压降低,截止状态能承受高电压;开关转换时,开关时间短,开关过程中要能承受足够高的di/dt和dv/dt;能控制器件的开通和关断.目前,电力电子器件有多种分类方式.例如,按照其可控程度可分为,不可控器件,半控型器件,全控型器件及模块化器件;按照器件的结构和工作机理可分为,双极型器件,单极型器件和混合型器件.2电力电子器件的发展过程2.1 半控型器件上世纪50年代,美国通用电气公司发明了世界上第一只硅晶闸管(SCR),标志着电力电子技术的诞生。此后,晶闸管得到了迅速发展,器件容量越来越大,性能得到不断提高,并产生了各种晶闸管派生器件,如快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。但是,晶闸管作为半控型器件,只能通过门极控制其开通,不能控制其关断,要关断器件必须通过强迫换相电路,从而使整个装置体积增加,复杂程度提高,效率降低。另外,晶闸管为双极型器件,有少子存储效应,所以工作频率低,一般低于400 Hz.由于以上这些原因,使得晶闸管的应用受到很大限制。虽然晶闸管有以上一些缺点,但由于它的高电压、大电流特性,使它在高压直流输电、静止无功补偿(SVC)、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速等方面的应用仍占有十分重要的地位。预计在今后若干年内,晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。2.2全控型器件随着半导体技术的不断发展,电力电子器件从早期的小功率、半控型、低频器件发展为现在的大功率、全控型、高频器件。从上世纪70年代后期开始,GTO、GTR器件及模块相继实用化。此后,各种高频全控型器件不断问世,并得到迅速发展,如IGBT、MOSFET、IGCT、MCT器件等,这些器件的产生和发展,形成了新型全控型电力电子器件的大家族。2.2.1大功率晶体管大功率晶体管(GiantTransistorGTR)也称巨型晶体管,是三层结构的双极全控型大功率高反压晶体管,它具有自关断能力,控制十分方便,并有饱和压降低和比较宽的安全工作区等优点,在许多电力变流装置中得到应用。GTR是一种电流控制型器件,所需驱动功率较大,驱动电路较复杂,且由于其固有的“二次击穿”问题,其安全工作区受各项参数影响而变化,所以GTR存在热容量小、过流能力低等缺点。目前,GTR已经基本被GTO取代。2.2.2可关断晶闸管GTO(Gate TurnOffThyristor)是上个世纪60年代初问世的,在此后的三四十年内得到了很大的发展,至今仍是重要的电力半导体器件。传统GTO的基本结构与普通晶闸管一样,也是4层3端结构,它几乎具有晶闸管的全部优点。但它的门极不仅具有普通晶闸管控制阴阳极主回路导通的能力,而且当在门极上施加负电压时,能使处于导通状态的晶闸管转变为关断状态,重新恢复阻断能力,实现门极关断,为全控型器件。为了改善关断特性,GTO器件均采用多个子器件并联的方式,即在同一硅片上,制作成千上万个细小的GTO子器件,它们有共同的门极,阴极相互分开独立,采用适当的封装结构,将这些子器件并联在一起,器件外观和大功率普通晶闸管完全一样。传统GTO器件存在固有的缺陷,如GTO的最大可关断阳极电流与加在门极的负脉冲电流有关,二者之比为GTO的电流关断增益。另外,传统GTO的电流关断增益只有3-5,而GTO在关断过程中,各子器件关断不均匀,很可能造成关断过程拖尾时间长,电流甚至集中在某些子器件上,这种电流局部集中现象称为电流的“挤流效应”。“挤流效应”的存在将导致器件局部热点的产生,严重时会使GTO器件被烧毁。这些都限制了GTO的应用范围。但是GTO所具有的高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量等优点,使它在高压、大功率牵引、工业和电力逆变器中得到广泛应用。目前,GTO的最高研究水平为6in、6 KV/6 KA以及9KV/10KA。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功率电压源的需要,近期可能开发10KA/12 KV的GTO,并且要解决多个高压GTO的串联技术,这样有望使电力电子技术在电力系统中的应用再上一个台阶。2.2.3电力场效应晶体管电力场效应晶体管分为两种类型,结型和绝缘栅型,其工作原理与普通MOSFET一样。通常所说的是绝缘栅型中的MOS型(Metal Oxide Semicon ductor FET),简称电力P-MOSFET(Power MOSFET),P-MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流,它的显著特点是驱动电路简单,驱动功率小,P-MOSFET为单极型器件,开关速度快,工作频率高,是目前所有电力电子器件中工作频率最高的器件,其工作频率可达MHz,但是P-MOSFT通态电阻大,器件导通时压降大,使得器件电流容量小,耐压低,其常用于高频、小功率的电力电子装置中。2.2.4绝缘栅极双极型晶体管绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)是RCA公司和GE公司1982年为了解决MSOFET在高压下存在的导通电阻大的问题而开发的,并于1986年开始正式生产并逐渐系列化.它是一种复合型器件,可看做是MOS输入的达林顿管。IGBT一经问世,即得到飞速发展,目前是新型电力电子器件的主流器件之一。IGBT在性能上兼有双极型器件和MOS器件的优点,其特点是栅极为电压驱动,驱动电路简单,所需驱动功率小,开关损耗小,工作频率高,承受电压较高,载流密度大,通态压降小,热稳定性好,没有“二次击穿”问题,安全工作区大,不需要缓冲电路。IGBT的不足之处在于高压IGBT的导通电阻较大,导致导通损耗大,在高压应用领域,通常需要多个串联,并且过压、过流、抗冲击、抗干扰等承受能力较低。IGBT自问世以来,其工艺技术和参数不断得到改进和提高,已由低功率IGBT发展到了IGBT功率模块,其电性能参数日趋完善。目前IGBT的制造水平除低压(1700V/1200A)外,已开发出高压IGBT,可达3.3 KV/1.2KA或4.5 KV/0.9 KA的水平,器件工作频率可达几百KHz。在IGBT的技术开发中,随着制造技术的提高,精细加工成为可能。目前,IGBT有以下一些新进展。(1)低功率IGBT。600V、10A、1KHz的低功率IGBT主要应用于家电行业的微波炉、洗衣机、电磁炉、电子镇流器等。(2)穿通型(PT型)IGBT。PT型IGBT设计时,基区宽度小于空间电荷最大展宽宽度,其耐压由设置一个N+缓冲层的穿通机制决定.它的基区比较窄,采用厚外延衬底片,这种器件在70%额定电流下为负温度系数,一般来说,1700V以下的IGBT大多采用这种结构。(3)非穿通型(NPT型)IGBT。其采用薄硅片技术,以离子注入发射区代替高复杂、高成本的厚层高阻外延,可降低生产成本25%左右,耐压越高成本差越大,在性能上更具特色,高速、低耗、正温度系数、无锁定效应。(4)U(沟槽结构)IGBT。这种结构的IGBT是在管芯上刻槽,芯片元内部形成沟槽式栅极,采用沟道结构后,可进一步缩小芯片元尺寸,降低沟道电阻,提高电流密度,进而可制造出相同额定电流而芯片尺寸最小的产品。现有多家生产各种U-IGBT产品的厂家,适用低压驱动、表面贴装的要求。(5)SDB-IGBT。它是采用SDB(硅片直接键合)片制造,SDB片形成的工艺过程并不复杂,但键合质量很难保证。鉴于目前厂家对IGBT的开发非常重视,三星、快捷等公司采用SDB技术,在IC生产线上制作第四带高速IGBT及模块系列产品,特点为高速、低饱和压降、低拖尾电流、正温度系数、易于并联,在600V和1200V电压范围内性能优良。(6)超快速IGBT。其为国际整流器IR公司开发的新产品,其研发重点在于减少IGBT的拖尾,使其能快速关断.超快速IGBT可最大限度地减少拖尾效应,关断时间不超过2 000 ns,采用特殊高能照射分层技术,关断时间可在100ns以下,拖尾更短,其重点产品专为电机控制设计,也可用在功率电源变换器中。(7)IGBT功率模块.IGBT功率模块采用IC驱动、各种驱动保护电路、高性能的IGBT芯片、新型封装技术,从复合功率模块发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PCBB、电力模块IPEM。复合功率模块向高压大电流发展,其产品水平为1200-1800A/1800A-3300V,可用于变频调速, 电力机车VVVF逆变器等。总之,目前IGBT已应用于电力电子的各个方面,但是其在向高频大功率化发展方面,仍需在减小通态压降和增加开关速度之间去折中。2.2.5集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管(IGCT)是一种复合型器件,主要用于大功率电力电子装置,它的应用使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了极大进展,给电力电子装置带来了新的飞跃。IGCT是在GTO基础上发展起来的,也是4层3端器件,它的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,为逆导GTO结构,门极为特殊环状,引出端安排在器件的周边,门、阴极之间的距离较常规GTO小得多,所以在门极加负偏压实现关断时,门、阴极间可立即形成耗尽层。从阳极注入基区的主电流,在关断瞬间全部流入门极,关断增益为“1”,从而使器件迅速关断。由于关断IGCT时需要提供与主电流相等的瞬时关断电流,所以要求包括IGCT门、阴极在内的门极驱动回路必须具有很小的引线电感,实际上它的门极和阴极之间的电感只有GTO的1/10。另外,IGCT有一个极低的引线电感与管饼集成在一起的门极驱动器,采用多层薄板状的衬板与主门极驱动电路连接,门极驱动电路由衬板及许多并联的功率MOS管及放电电容组成,包括IGCT及门极驱动电路在内的总引线电感可减小到GTO的1/100。由于IGCT在结构上采取的这一系列措施,使其具有晶体管和晶闸管两种器件的优点,即晶体管的稳定关断能力和晶闸管的低通态损耗。IGCT在导通期间发挥晶闸管的性能,关断阶段则类似晶体管。IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑和损耗低等优点。此外,IGCT还像GTO一样,具有制造成本低和成品率高的特点,有极好的应用前景,是GTO的替代产品。目前,IGCT已经商品化,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/4 KA。1998年,三菱公司也开发了直径为88mm的6 KV/4 KA的GCT晶闸管。在实际应用中需注意,电压较低时选用IGBT较为合算压较高时选用IGCT较为合算。根据应用和设计的标准不同,在1800-3300V之间,两种器件交叉使用,IGBT更适于功率较小的装置而IGCT则较适用于功率较大的装置。2.2.6电子注入增强型晶体管近年来,日本东芝公司开发了电子注入增强型晶体管(IEGT),它是耐压4 KV以上的高耐压IGBT系列电力电子器件。IEGT通过采取增强注入结构,兼有IGBT和GTO两者的优点,具有低饱和压降、宽的安全工作区(吸收回路容量只有GTO的1/10左右)、低栅极驱动功率(比GTO低两个数量级)和较高的工作频率。IEGT的这些优点,使大容量电力电子器件取得飞跃性发展,现已经历了实际应用的初级阶段,进入了通过特性改良以实现更高性能为目标的发展阶段。IEGT本质上具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景,预示着它是未来的主要发展方向。除低损耗、高速动作等基本芯片性能不断提高外,6KV级高耐压化、有源栅驱动的智能化、沟槽结构的采用等,以及多芯片并联而自均流的特征也使其易于并联使用以进一步扩大电流容量成为可能。目前,IEGT的器件水平已经达到4.5KV/1500A。3基于新型材料的电力电子新器件从晶闸管问世到IGBT的普遍应用,电力电子器件经过近40年的发展,基本上都是表现为对器件原理和结构的改进和创新,在材料的使用上则始终没有突破硅的范围。无论是功率MOSFET还是IGBT,它们与晶闸管和整流二极管一样都是硅制造的器件。但是,随着硅材料和硅工艺的日趋完善,各种硅器件的性能逐步趋近其理论极限,而电力电子技术的发展却不断对电力电子器件的性能提出了更高的要求,尤其是希望器件的功率和频率能得到更高程度的兼顾。因此,越来越多的电力电子器件研究工作转向了对应用新型半导体材料制造新型电力电子器件的研究。结果表明,就电力电子器件而言,硅材料并不是最理想的材料,比较理想的材料应当是,临界雪崩击穿电场强度、载流子饱和漂移速度和热导率都比较高的宽禁带半导体材料,这种材料比较典型的有砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)等。目前,随着这些材料的制造技术和加工工艺日渐成熟,使用宽禁带半导体材料制造性能更加优越的电力电子新器件已成为可能。特别是碳化硅肖特基二极管在本世纪初投放市场并获得良好的实际应用效果后,进一步增强了人们大力发展用宽禁带半导体材料制造电力电子器件的信心.在各种宽禁带半导体材料中,碳化硅是一种性能优越的材料,它的性能指标较砷化镓还要高一个数量级,与其他材料比较,它具有,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等特征。使用碳化硅制造的电力电子器件,有可能将半导体器件的极限工作温度提高到600以上,至少可以在硅器件难以承受的高温下长时间稳定工作。不仅如此,在额定阻断电压相同的前提下,碳化硅器件不但通态电阻很低,工作频率也比硅器件高10倍以上.所以,碳化硅器件在高温、高频、高功率容量的应用场合是极为理想的电力电子器件。3.1碳化硅肖特基势垒二极管本世纪初,碳化硅肖特基势垒二极管(SBD)首先揭开了碳化硅器件在电力电子领域替代硅器件的序幕。由于肖特基二极管的制造工艺相对比较简单,所以对碳化硅肖特基二极管的研究也已较为成熟。美国Cree公司和德国Infineon公司率先推出耐压600 V、电流分别为12A和10A以下的系列产品。普渡大学最近制造出了阻断电压高达4.9KV的4H-SiC肖特基二极管,特征导通电阻为43m/cm2,这是目前碳化硅肖特基二极管的最高水平。市面上的SBD最高耐压可达1200V,最大电流可达20A。碳化硅SBD器件具有预期的反向漏电流极小,几乎没有反向恢复时间等优点,同时,高温性能异常优越,于是一些大公司在其IGBT变频或逆变装置中采用这种二极管替代硅块恢复二极管,取得了提高工作频率、大幅度降低开关损耗的明显效果,总体效益大大超过由于替换器件所增加的成本。目前,碳化硅SBD的全球市场容量估计达400万美元。3.2碳化硅场效应器件碳化硅场效应器件的开发优势在于能够兼顾阻断电压和通态电阻,而且结构与硅场效应器件无法达到的10000V水平,通态比电阻也向理论极限大大靠近了一步,可达123mcm3。3.3碳化硅IGBT虽然碳化硅场效应器件的阻断电压可以做到硅器件所无法达到的10000 V,但更高阻断电压也面临通态电阻问题,所以,人们对碳化硅IGBT寄予厚望。对碳化硅IGBT的研发工作起步较晚,1999年才首见报道,这是一个阻断电压只有790V的p沟道4H-SiC IGBT,且其通态压降很高,在电流密度为75 A/cm2时就高达15V,这说明碳化硅IGBT在阻断电压不高的情况下,相对于碳化硅场效应器件没有什么优势,其优越性只在10000V以上的高压领域。近年来,碳化硅高压IGBT的研发工作已有较大进展,目前遇到的主要困难在于p沟道IGBT的源极接触电阻偏高,而n沟