功率器件概述.ppt

高压变频技术 主讲人 边春元2011年8月 内容介绍 一 功率器件概述 1 功率器件的发展概况 功率器件的发展对大功率应用领域发展的促进作用 器件特性的改善使其开关速度得以提高 同时降低了相关损耗 器件的开关容量也随之提高 包含门级 或栅极 基极 驱动在内的模块化趋势在一定程度上促进了电路设计的标准化 功率器件发展史上的五次突破性发展 一 功率器件概述 续 硅普通晶闸管 SCR 的诞生 1955年GE公司制造出世界上第一个硅整流管 SR 1957年GE公司制造出第一个硅普通晶闸管 SCR 由于具有体积小 重量轻 效率高 寿命长 速度快 使用维护简单等优点 特别是SCR能以微小电流控制较大的功率 因此伴随着自动控制技术的发展 电力半导体器件一诞生便从弱电控制领域进入了强电控制领域 将它用于强电自动化系统取代汞弧整流器 为变流器的固体化 静止化及无触点化奠定了基础 并获得了巨大的节能效果 发展极为迅速 出现了快速晶闸管 光控晶闸管 非对称晶闸管及双向晶闸管等派生晶闸管 它经历了50年代的萌芽生长期 60年代的工艺技术革新和品种开发期 70年代的提高可靠性和扩大应用期 如今已进入大规模生产和成熟应用期 共同特点 换相关断 大电流 高电压 工作频率在几百Hz到一千Hz 一 功率器件概述 续 GTO GTR和MOSFET等全控型器件的出现及批量生产 1960年GE公司的Van Liaten和Navon描述了门极关断PNPN开关 首次提出GTO的设想 经美国A K Jonscher Makintosh和Golde Y在理论和控制方法进行完善 1962年美国T A Lougo用平板外延工艺研制出第一个GTO 1973年 GE公司在GTO的设计制造工艺上有所突破 该公司的Wolley发明了采用扩金技术以缩短关断时间并控制关断增益 采用放大门极和叉指状渐开线的门 阴极结构以提高GTO的灵敏度和关断能力 采用放大门极二极管分流器以降低GTO关断时的门极阻抗 此后GTO才开始批量生产 20世纪60 70年代出现的全控型器件可简单的实现电力电子设备中的变频 逆变及斩波 特别是频率提高后易于实现 最佳频率 用电 为电力电子设备的小型化 高效化创造了条件 GTR和GTO虽具有高耐压 大电流的优点 但均属于电流型控制器件 基极和门极的输入阻抗较小 需要消除积存的载流子 所以存在开关频率仍较低 一般小于4KHz 等不足 同时 在大功率系统应用时 要求提供较大的驱动电流 常因驱动电路性能不好而损坏 因而限制了它们的应用 一 功率器件概述 续 IGBT MCT和IGCT等双机理复合电力半导体器件的开发 电力MOSFET虽然具有电压驱动 驱动功率小 速度性能好等优点 但限于制造技术及材料水平 短时间难以制成高耐压 大电流的器件 20世纪80年代开发出了双机理复合电力半导体器件IGBT MCT IGCT 它们发挥了GTR GTO以及电力MOSFET的共同优点 扬弃其缺点 这类器件的栅极为MOS结构 而输出极为GTR GTO或SCR结构 这些器件兼有构成它的两种器件的共同优点 高耐压 低功耗 易驱动 高频率 现在IGBT的单管容量己超过GTR的水平 IGBT的开关频率已可与MOSFET相媲美 并己开始在电力电子设备中取代电力MSOFET GTO和GTR 一 功率器件概述 续 功率集成电路 PIC 的出现 20世纪80年代中期 半导体材料学及电力半导体器件制造工艺技术的发展和电力电子设备的发展要求 促使第四代电力半导体器件 功率集成电路的出现 1981年试制成功功率集成电路 PIC 它将电力半导体器件及其驱动电路 保护电路 检测电路与外部微机和CPU连接的接口电路制造在一个封装内 经过10多年的发展 PIC己分为高压PIC HVPIC 和智能PIC SPIC 两大类 PIC实现了电力电子技术与微电子技术两大半导体分支的结合 完成了 电力电子 微电子 的紧密结合 实现了动力信号一体化 实现了物质流与信息流的结合 将电力电子技术推向了一个崭新的时代 一 功率器件概述 续 IGCT 高压IGBT和IEGT的出现 20世纪80年代中期 人们普遍看好MCT MOS控制晶栅管 其原因在于当时美国GE公司己有产品 美国的Harris公司己可批量向市场提供这类器件 MCT是一个MOS门的PNPN晶闸管 它可以在MOS门上加一个窄脉冲控制其导通和关断 与其他电力半导体器件不同的是 MCT具有小细胞结构 而其器件具有大量并联而匹配的单胞 它的频率与IGBT差不多 但其低的通态压降是一个明显的优点 且器件不存在二次击穿的问题 其dv dt与di dt耐量可达2000V s与20000A s以上 故应用它可制成无缓冲电路的变流器 为了使器件有较高的成品率 必须具有高纯度 均匀性好的硅片和精细的工艺技术 但经过10多年的发展和努力 由于它极低的成品率和昂贵的成本 使电力电子行业不得不另辟蹊径 于是一系列的供高电压 大电流应用的新器件开始登上竞争的舞台 IGCT 集成门极换向晶闸管 高压IGBT和IEGT 注入增强栅晶体管 的出现在某种程度上解决了MCT发展停滞不前的问题 一 功率器件概述 续 根据开关特性不同 可分为 2 功率器件的分类 半控型器件 通过门极信号只能控制其导通而不能控制其关断的器件 如SCR 全控型器件 通过门极信号既能控制其导通又能控制其关断的器件 如BJT IGBT GTO IGCT 根据控制极 包括门极 栅极或基极 信号的不同性质 可分为 电流控制型器件 一般通过从控制极注入或抽出控制电流的方式来实现对导通或关断的控制 如SCR 电压控制型器件 利用场控原理控制的电力电子器件 其导通或关断是由控制极上的电压信号控制的 控制极电流极小 如IGBT 一 功率器件概述 续 根据半导体器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况 可分为 单极型器件 由一种载流子参与导电的器件 如MOSFET 单极型器件只有一种载流子 多数载流子 参与导电 是电压控制型器件 具有控制功率小 驱动电路相对简单 工作频率高 无二次击穿问题 安全工作区宽等显著特点 其缺点是通态压降大 导通损耗大 双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电的器件 如BJT 双极型器件中两种载流子都参与导电 具有通态压降小 导通损耗小的显著特点 多数属于电流控制型 其缺点是控制功率大 驱动电路较复杂 工作频率较低 有二次击穿问题等 混合型器件 由单极型和双极型两种器件组成的复合器件 如IGBT 混合型器件又称复合型器件 综合了单极型和双极型各自的优点 利用双极型器件作为它的输出级 而利用单极性器件作为它的输入级 一 功率器件概述 续 3 IGCT概述 IGCT的器件机理 IGCT 集成门极换向晶闸管IGCT IntegratedGate CommutatedThyristor 是由GCT GateCommutatedturn offThyristor 和其门极控制电路集中成一体化的组件 也有人称之为 发射极关断晶闸管 ETO 实际上是关断增益为1的GTO 是把MOSFET从器件内部拿到外部来的MCT IGCT是一种用于巨型电力电子设备中的新型电力半导体器件 瑞士ABB公司和日本三菱公司合作 把三菱制造的环形门极GTO配以外加的MOSFET实现了体外MCT的功能 并把这种方案专利化 GCT GCT是在GTO基础上发展起来的新器件 它保留了GTO高电压 大电流 低导通压降的优点 又改善了其开关性能 一 功率器件概述 续 GCT采用了缓冲层设计 它使器件的通态和开关损耗可减少到原来的1 2 1 2 5 但缓冲层会导致关断时不能尽快抽走器件在通态时存储的电荷 常规的GTO采用阳极短路技术 为存储电荷的抽走提供一条通路 但阳极短路和缓冲层的结合会导致极高的触发电流和维持电流 GTO有两个稳定工作状态 通 和 断 在它们之间 开断过程中 是不稳定状态 GCT取消阳极短路 而将阳极做成可穿透型 这样 电荷存储时间减少至1 20 后沿拖尾电流减小为原来的1 20 同时还能在同样阻断电压条件下 减少芯片厚度30 使得导通压降进一步降低 GCT采用一种新的低电感的触发电路 在门极 20V偏置情况下 可获得4000A S电流变化率 使得在大约1 S时间内 阳极电压开始上升前 将全部阳极电流经门极流出 不通过阴极 晶闸管的PNPN四层结构暂时变为PNP晶体管的三层结构 有了稳定的中间状态 一致性好 据称可以无缓冲电路运行 一 功率器件概述 续 由于GCT硅片厚度减少 允许在同一GCT片上做出高效的反并联续流二极管 GCT的门极关断峰值电流非常大 触发电路需要相当容量的MOSFET和相当数量的电解电容及其他元件组成 电路非常复杂 要求很高 所以一般由GCT生产厂家把门极触发及状态监视电路和GCT管芯 甚至反并联续流二极管做成一个整体 成为IGCT 通过光纤输入触发信号 输出工作状态信号 综述 IGCT采用逆导技术可将GCT与续流二极管FWD集成在单一芯片上 采用门极驱动技术使GCT通过印刷电路版与门极驱动电路以低电感方式直接相连 结合了晶体管和晶闸管两种器件的优点 即晶体管的稳定的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 关断阶段呈类似晶体管的特性 IGCT具有电流大 耐压高 开关频率高 可靠性高 结构紧凑 损耗低的特点 此外 IGCT还像GTO一样 具有制造成本低和成品率高的特点 一 功率器件概述 续 1996年问世的IGCT在多个方面打破了新功率半导体器件的发展传统模式 GTO器件 从1979年的1200V 600A开始 发展到现有的6KV 6KA的水平 经历了15年 IGBT器件在1981年以6A 600V开始 到现在已发展到额定值达到4 5KV 2000A 它们都是从牵引应用开始 随着成本的下降和额定功率的上升 逐步扩展到工业驱动领域 最后进入电力传输领域 IGCT恰恰倒转了这种趋势 它首先以4 5KV 4KA额定值应用于电力传输领域 然后向下扩展到300A额定值 应用于中等电压驱动范围 最后在21世纪进入牵引市场 目前IGCT最大容量 反向阻断型为4500V 4000A 逆导型为5500V 1800A 用于三电平逆变器时 输出最高交流电压为4160V 如要求更高的输出电压 比如6KV交流输出 只能采取器件直接串联 一 功率器件概述 续 以5500V 1800A 最大可关断阳极电流值 的逆导型IGCT为例 通态平均电流为700A 通态压降为3V 通态阳极电流上升率为530A S 导通延迟时间小于2 S 上升时间小于1 S 关断延迟时间小于6 S 下降时间小于1 S 最小通态维持时间为10 S 最小断态维持时间为10 S 导通每脉冲能耗小于1J 关断每脉冲能耗小于10J 内部集成的反并联续流二极管 快恢复二极管 通态平均电流为290A 通态压降为5 2V 反向恢复电流变化率小于530A S 反向恢复电流小于780A IGCT的技术特点 门极硬驱动技术 采用 硬驱动 技术 GCT通过印刷电路版与门极驱动电路直接相连 一 功率器件概述 续 IGCT的结构 门极驱动器装入不同的装置 GCT与门极驱动器相距很近 该结构是一种通用形式 环绕型IGCT 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 其内包含GCT门极驱动电路所需的全部元件 两种形式均可使门极电路的电感进一步减小 5mH 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 一 功率器件概述 续 硬驱动是指器件开通和关断时 门极驱动电压和电流有一适当高的幅值和上升率 为了加快从IGCT门极抽出P基区存储电荷的过程 门极负电压应有接近门 阴结雪崩击穿电压值 为了减少存储时间减少存储功耗 就要提高门极负向电流上升率达4 6kA s 门极电流脉冲幅值也要达到阳极关断电流 GCT关断增益约为1 GTO则为3 5 只有这样方能保证GCT互联晶体管对中的PNP管在NPN管很快熄灭后自动关断 即器件开始承受全阻断电压前 全部阳极电流在1 s内换向至门极 这就要大大限制全部门极回路的总电感 例如 要关断4000A电流 门极电压为不致雪崩击穿的20V 其门极驱动最大总电感Ls应为Ls VG dI dt 20V 4000A s 5nH 如此低的电感 除采用前述措施外 很重要的一点就是将门极驱动电路与GCT集成于一起 即IGCT 硬驱动 一 功率器件概述 续 硬驱动是GCT成为新器件的关键 其实 不仅IGCT 即使普通GTO 硬驱动也能使其性能明显改善 由于硬驱动使得IGCT的开通和存储时间大大减少 全部运行范围都能均匀一致的开关 离散偏差仅300ns 且无需缓冲器 易于串并联 矩形安全工作区几乎达硅片的雪崩极限 硬驱动连同缓冲层透明阳极还使门极关断电荷锐减 门极驱动功率骤降 门极单元尺寸大约缩为GTO的一半 硬驱动是IGCT的一个重大突破 与GTO相比 IGCT对门极驱动电路的要求大为降低 主要原因为 IGCT的存储时间下降约为95 便于实现简单耐用的串联 IGCT能非常均匀地工作 可显著减少或忽略dv dt吸收电路及逆变器的损耗 IGCT门极关断电荷降低约为75 可显著降低门极驱动功率 门极驱动成本低 IGCT采用透明阳极技术 其后沿电流降低95 一 功率器件概述 续 阴极梳条及环形门极结构与GTO一样 足够精细的分立阴极梳条结构及环形门极结构有利于其快速而均匀的开通与关断 门极环允许门极端子到硅片上门极条之间有很低的电感接触 有利于其达到实现门极硬驱动的技术条件 在传统GTO 二极管 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 在相同的阻断电压下可使器件的片厚降低约30 同理 在GCT中采用缓冲层 即在n 和p 层间引入n 缓冲层 由于电场被n 缓冲层阻挡 形成一个四边形电场分布 这样采用较薄的硅片厚度可达到相同的阻断电压 从而提高了器件的效率 使通态压降和开关损耗降低 在4 5KV的GCT中 缓冲层的使用使得芯片的厚度比同样耐压等级的GTO芯片厚度减小约40 同时采用缓冲层技术 使单片GCT与二极管的组合成为可能 一 功率器件概述 续 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 且损耗和开通阀值电压都很低 小电流时透明阳极的发射率很高 从而使GCT要求的触发电流及通态门极电流都很低 减小了门极驱动功率 大电流 如关断 时 透明阳极的发射率较低且无空穴注入 从而使关断时使电子能通过透明阳极快速抽出 缩短了关断时间 小于3 S 电子穿透阳极就像阳极被短路一样 因此称为透明阳极 传统的GTO则是采用阳极短路结构来达到相同的目的 采用透明阳极来代替阳极短路点 可使GCT的触发电流比传统无缓冲层的GTO降低整整一个数量级 采用全压接技术 全压接技术是相对于平常烧结工艺而言的 其硅片与钼片之间的电 热接触是通过外部封装压力来实现的 减小了硅片内部的应力分布 一 功率器件概述 续 所谓逆导结构 就是将GCT与反并联二极管集成于同一硅片上 对于传统的GTO 由于其硅片的厚度大于与之配对的续流二极管的硅片厚度 GTO和二极管的集成会大大降低二极管的性能 而缓冲层和透明阳极技术的引入克服了硅片厚度上的缺陷 使得GCT硅片的厚度减小 使二者能够很好地集成在一起 GCT大都制成逆导型 与非对称型结构不同 它可与优化的续流二极管FWD单片集成在同一芯片上 穿通型GCT的最小基区厚度与二极管相同 可承受相同的阻断电压 由于二极管和GCT享有同一个阻断结 pn 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 为防止两者交替工作带来的相互干扰 在两者之间设置隔离区 即在P区内嵌入n区作为隔离区 这样逆导GCT与二极管中间因为有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 为了使GCT能够无吸收地关断 要求集成在其中的FWD也必须在无吸收电路和高电流上升率di dt的工作条件下关断 所以要求逆导GCT不仅具有较低的静态损耗及动态损耗 而且应具备优良的恢复特性 一 功率器件概述 续 IGCT的优点 门极驱动更加可靠 由于新技术的采用 IGCT所需要的门极驱动功率不到相同容量GTO的20 而且为了更加坚固和紧凑 IGCT的门极驱动电路围绕GCT设置 与GCT组成一体 这种设计使得IGCT门极驱动的造价和故障率大大降低 性能更强的关断特性 由于硬驱动使得GCT在1 S内可从PNPN状态转为PNP状态 关断完全以晶体管方式发生 这种均匀关断使安全工作区增大到完全动态雪崩区域 这样的关断特性使得IGCT不需要关断吸收电路 且可以直接串连工作 更小的通态及关断损耗 缓冲层的采用使得在相同正向击穿电压下IGCT器件厚度减少了30 从而大大减少了导通和开关损耗 由于损耗特性的改进以及现在可以在无吸收电路下工作 IGCT可以工作在200 2kHz的开关频率范围内 更少的外围器件及更低的装置成本 IGCT所独有的特性使得它不需要关断吸收电路 IGCT结构集成了续流二极管 使得装置更加简化 可靠 一 功率器件概述 续 4 IGCT的开通和关断机理 IGCT是GCT和集成门极驱动电路的总称 所以其工作原理主要取决于GCT的工作过程 可以用两个晶体管表示的IGCT工作原理 如图所示 开通时 门极施以正强电压初瞬 GCT处于NPN晶体管状态 这时晶体管作用大于晶闸管作用 转入导通后 GCT仍可用两正反馈的晶体管等效 强烈的正反馈使两晶体管都饱和导通 所以当GCT工作在导通状态时 是一个像晶闸管一样的正反馈开关 其特点是携带电流能力强和通态压降低 一 功率器件概述 续 关断时 IGCT采用了消除 GTO区 技术 即在电荷从阳极N基区完全被抽出之前 即阴极NPN晶体管完全停止注入电荷之前 整个阳极电流由阴极迅速转向门极 这样 GCT可以无中间区 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 不参予以后过程 使器件在双极晶体管模式下关断 前提是让GCT门一阴极PN结提前进入反向偏置 并有效的退出工作 即在P基n发射结外施很高负电压 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 在承受任何阻断电压之前 IGCT己经变成晶体管 这与GTO以晶闸管方式承受阻断电压形成鲜明的对比 GCT成为PNP管早于它承受全阻断电压的时间 而GTO却是在SCR状态下承受全阻断电压的 由于IGCT的关断发生在变成晶体管之后 所以它已无外加dv dt的限制 并且可像MOSFBT或IGBT那样工作 而无需吸收电路 所以GCT无二次击穿 拖尾电流虽大但时间很短 一 功率器件概述 续 IGCT器件在开通和阻断状态下的等效电路如图所示 一 功率器件概述 续 GTO器件在开通和阻断状态下的等效电路如图所示 一 功率器件概述 续 对比可见 在导通和阻断状态下 GCT和GTO有明显不同 即GCT可瞬时从导通状态转到阻断状态 而GTO必须经过由一个既非导通又非阻断的中间不定状态进行转换 这是因为有这样一个 GTO 阶段 GTO才需要很大的吸收电路来抑制再加电压的变化率 dv dt 其原因在于晶闸管与简单的晶体管不同 它对dv dt很敏感 综合上述 合适的门极强驱动下 GCT开通初瞬处于NPN晶体管状态 导通时为晶闸管状态 关断瞬间和截止状态均为PNP晶体管状态 5 IGCT测试电路 在建立IGCT器件仿真模型后 要想对IGCT模型进行测试 必须先建立测试环境 即测试电路 一 功率器件概述 续 测试电路中 构成IGCT的缓冲箝位电路 仿真测试电路中 Lcl是为了模拟变换器中杂散电感和分析IGCT开关特性而加入的等效电感 一 功率器件概述 续 式中 di dtmax是IGCT和反并联二极管允许的最大值 即在电压型逆变器中 每个IGCT的导通都伴随着一个二极管的关断 因此必须考虑二极管关断时允许的最大di dt 阳极电抗 阳极电路与桥臂间的杂散电抗 该电感越小越好 越大导致IGCT关断损耗和第一个关断过电压越大 安全工作区越小 箝位电路 当直流侧电容远大于箝位电容且杂散电感可忽略时 阳极箝位电路可看成一个阻尼并联谐振的 LC电路 一般的应用中 直流侧电容远大于箝位电容是成立的 但杂散电感一般不可忽略 有时 回路Cdc CCL Rs中的杂散电感Ls对关断时IGCT阳阴极间的第二个过电压峰值VDM的影响不能忽略 此外还要考虑阳极电路到准备好下一次换流前所需的时间 当IGCT导通时 箝位二极管被强制从导通状态或低电压阻断状态变成高电压阻断状态 如果二极管正在导通 它此时关断的di dt只被LCL限制 在重复的工况下 这种应力可能会超过二极管允许的di dt能力 因此 IGCT在关断后必须保持一个最小的关断时间 以保证箝位二极管承受的关断di dt在允许范围内 一 功率器件概述 续 其它箝位电路元件参数的计算 特征谐振频率为 阻尼谐振频率为 振荡周期为 一 功率器件概述 续 阻尼系数为 设定阻尼系数D为0 8 则如果Cdc CCL Rs回路的杂散电感很小 就可得到一个可接受的关断暂态过程 箝位电容为 是关断时刻电抗中的最大电流 可取为IGCT最大可关断电流 是箱位电容上的过电压值 是IGCT最大允许电压峰值VDRM与最大允许直流电压VDCMAX之差值 一 功率器件概述 续 K是计及杂散电感LCL对过电压的影响加入的系数 如果这个电感值很小 LCL 0 1Li 则k可取为0 9 那么可求出Rs IGCT的最小关断时间可设为等于阻尼振荡的周期TD 6 IGCT与GTO IGBT的比较 GTO 一 功率器件概述 续 GTO是一个很有代表性的器件 它通过门极电流来控制导通和关断 高阻断电压 大通态电流是它突出的特点 从结构而言 它是由几百个甚至几千个小原胞 GTO 并联而成 小原胞越多 器件的容量越大 GTO芯片的直径现己达到150mm 工作电流6