功率器件的发展历程

1、功率器件的发展历程 IGBT、GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IGCT, 2009-12-08 08:49 引言 电力电子技术包括功率半导体器件与 IC 技术、功率变换技术及控制技术等 几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术 发展的 “龙头”。从 1958年美国通用电气 （GE）公司研制出世界上第一个工业用普 通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入 由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。到了 70 年 代，晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的系列产品。同时，非对称晶 闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控

2、晶闸管等晶闸管派生器件相继问世，广 泛应用于各种变流装置。由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响 应快等优点，其研制及应用得到了飞速发展。 由于普通晶闸管不能自关断，属于半控型器件，因而被称作第一代电力电 子器件。在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断提高，电力电 子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，先后出现了GTR、GTO、功率 MOSET等自关断、全控型器件，被称为第二代电力电子器件。近年来，电力电 子器件正朝着复合化、模块化及功率集成的方向发展，如IGPT、MCT、 HVIC等 就是这种发展的产物。 电力整流管 整流管产生于本世纪 40 年代，是电力电子器件中结构最

3、简单、使用最广泛 的一种器件。目前已形成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管等三种主 要类型。其中普通整流管的特点是： 漏电流小、通态压降较高 （1 01 8V）、反向恢复时间较长 （几十微秒 ）、可获 得很高的电压和电流定额。多用于牵引、充电、电镀等对转换速度要求不高的 装置中。较快的反向恢复时间 （几百纳秒至几微秒 ）是快恢复整流管的显著特点， 但是它的通态压降却很高 （1 64 0V）。它主要用于斩波、逆变等电路中充当旁路 1 / 13 二极管或阻塞二极管。肖特基整流管兼有快的反向恢复时间 (几乎为零 )和低的通 态压降( 0.3 0.6V)的优点，不过其漏 1 电流较大、耐压能力低，

4、常用于高频低压仪表和开关电源。目前的研制水 平为: 普通整流管 (8000V/5000A/400Hz)；快恢复整流管 (6000V/1200A/1000Hz)；肖 特基整流管 (1000V/100A/200kHz)。 电力整流管对改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使 用效率等方面都具有非常重要的作用。随着各种高性能电力电子器件的出现， 开发具有良好高频性能的电力整流管显得非常必要。目前，人们已通过新颖结 构的设计和大规模集成电路制作工艺的运用，研制出集 PIN 整流管和肖特基整 流管的优点于一体的具有 MPS、 SPEED和 SSD等结构的新型高压快恢复整流 管。 它们的通态压

5、降为 1V 左右，反向恢复时间为 PIN整流管的 1/2，反向恢复 峰值电流为 PIN 整流管的 1/ 普通晶闸管及其派生器件 晶闸管诞生后，其结构的改进和工艺的改革，为新器件的不断出现提供了 条件。 1964年，双向晶闸管在 GE公司开发成功，应用于调光和马达控制； 1965年，小功率光触发晶闸管出现，为其后出现的光耦合器打下了基础；60 年 代后期，大功率逆变晶闸管问世，成为当时逆变电路的基本元件；1974 年，逆 导晶闸管和非对称晶闸管研制完成。 普通晶闸管广泛应用于交直流调速、调光、调温等低频 (400Hz以下 )领域， 运用由它所构成的电路对电网进行控制和变换是一种简便而经济的办法。

6、不 2 / 13 过，这种装置的运行会产生波形畸变和降低功率因数、影响电网的质量。目前 水平为 12kV/1kA和 6500V/4000A。 双向晶闸管可视为一对反并联的普通晶闸管的集成，常用于交流调压和调 功电路中。正、负脉冲都可触发导通，因而其控制电路比较简单。其缺点是换 向能力差、触发灵敏度低、关断时间较长，其水平已超过2000V/500A。 光控晶闸管是通过光信号控制晶闸管触发导通的器件，它具有很强的抗干 扰能力、良好的高压绝缘性能和较高的瞬时过电压承受能力，因而被应用于高 压直流输电 （HVDC、） 静止无功功率补偿 （SVC等） 领域。其研制水平大约为 8000V/3600A。2

7、逆变晶闸管因具有较短的关断时间 （1015s）而主要用于中频感 应加热。在逆变电路中，它已让位于 GTR、GTO、 IGBT等新器件。目前，其最 大容量介于 2500V/1600A/1kHz和 800V/50A/20kHz的范围之内。 非对称晶闸管是一种正、反向电压耐量不对称的晶闸管。而逆导晶闸管不 过是非对称晶闸管的一种特例，是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯 上的功率集成器件。与普通晶闸管相比，它具有关断时间短、正向压降小、额 定结温高、高温特性好等优点，主要用于逆变器和整流器中。目前，国内有厂 家生产 3000V/900A 的非对称晶闸管。 全控型电力电子器件 门极可关断晶闸管（

8、GTO） 1964年，美国第一次试制成功了 500V/10A的 GTO。在此后的近 10年内， GTO的容量一直停留在较小水平，只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进 行试用。自 70 年代中期开始， GTO的研制取得突破，相继出世了 1300V/ 00A、2500V/ 1 000A、4500V/2400A的产品，目前已达 9kV/25kA/800Hz及 6Hz/6kA/1kHz的 水平。 GTO有对称、非对称和逆导三种类型。与对称 GTO相比，非对称 GTO通 3 / 13 态压降小、抗浪涌电流能力强、易于提高耐压能力 （3000以上 ）。逆导型 GTO 是在同一芯片上将 GTO与整流二极管

9、反并联制成的集成器件，不能承受反向电 压，主要用于中等容量的牵引驱动中。 在当前各种自关断器件中， GTO容量最大、工作频率最低 （12kHz）。 GTO是 电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流； GTO通态压降大、 dV/dT 及 di/dt 耐量低，需要庞大的吸收电路。目前， GTO虽然在低于 2000V 的 某些领域内已被 GTR和 IGRT等所替代，但它在大功率电力牵引中有明显优势； 今后，它也必将在高压领域占有一席之地。 大功率晶体管（ GTR） GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，产生于本世纪 70 年代，其 额定值已达 1800V/800A/2kHz、140

10、0v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备 晶体管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成 熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、 中等 3 频率的电路中应用广泛。 GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力 差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和 UPS内， GTR正逐步被功率 MOSFET 和 IGBT 所代替。 功率 MOSFET 功率 MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏 极电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小；仅由多数载 流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高

11、达 100kHz以上，为所有 电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频 场合；没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。功率MOSFET的缺点 是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。目前制造水 平大概是 1kV/2A/2MHz 和 60V/200A/2MHz。 复合型电力电子器件 绝缘门极双极型晶体管（ IGBT） 4 / 13 IGBT是由美国 GE公司和 RCA公司于 1983 年首先研制的，当时容量仅 500V/20A，且存在一些技术问题。经过几年改进， IGBT于 1986 年开始正式生产 并逐渐系列化。至 90年代初， IGBT已开发

12、完成第二代产品。目前，第三代智能 IGBT已经出现，科学家们正着手研究第四代沟槽栅结构的IGBT。IGBT可视为双 极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟 道、提供晶体管基极电流使 IGBT导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟 道、使 IGBT因流过反向门极电流而关断。 IGBT集 GTR通态压降小、载流密度 大、耐压高和功率 MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性 好的优点于一身，因此备受人们青睐。它的研制成功为提高电力电子装置的性 能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。 比较而言， IGBT的开关速度低于功率 MOSF

13、ET，却明显高于 GTR；IGBT的 通态压降同 GTR相近，但比功率 MOSFET低得多； IGBT的电流、电压等级与 GTR接近，而比功率 MOSFET高。目前，其研制水平已达 4500V/1000A。由于 IGBT具有上述特点，在中等功率容量 (600V以上)的 UPS、开关电源及交流电机 控制用 PWM逆变器中， IGBT已逐步替代 GTR成为核心元件。另外， IR公司已 设计出开关频 4 率高达 150kHz的 WARP系列 400 600VIGBT，其开关特性与功率 MOSFET 接近，而导通损耗却比功率 MOSFET低得多。该系列 IGBT有望在高频 150kHz 整流器中取代功

14、率 MOSFET，并大大降低开关损耗。 IGBT的发展方向是提高耐压能力和开关频率、降低损耗以及开发具有集成 保护功能的智能产品。 MOS 控制晶闸管 (MCT) MCT 最早由美国 GE公司研制，是由 MOSFET与晶闸管复合而成的新型器 件。 每个 MCT器件由成千上万的 MCT元组成，而每个元又是由一个 PN 晶闸 管、一个控制 MCT导通的 MOSFET和一个控制 MCT关断的 MOSFET组成。 MCT 工作于超掣住状态，是一个真正的 PN 器件，这正是其通态电阻远低于其它场效 应器件的最主要原因。 MCT既具备功率 MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开 5 / 13 关速度快的特

15、性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。其芯片连续 电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是 IGBT或 GTR的 1/3，而开关速度 则超过 GTR。 此外，由于 MCT 中的 MOSFET元能控制 MCT芯片的全面积通断，故 MCT 具有很强的导通 di/dt 和阻断 dV/dt 能力，其值高达 2000A/ s和 2000V/ s。其工 作结温亦高达 150200。已研制出阻断电压达 4000V的 MCT， 75A/1000VMCT已应用于串联谐振变换器。随着性能价格比的不断优化， MCT 将逐渐走入应用领域并有可能取代高压 GTO，与 IGBT的竞争亦将在中功率领域 展开。 功率

16、集成电路( PIC) PIC是电力电子器件技术与微电子技术相结合的产物，是机电一体化的关键 接口元件。将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在 一个或几个芯片上，就制成了 PIC。一般认为， PIC的额定功率应大于 1W。功率 集成电路还可以分为高压功率集成电路 (HVIC)、智能功率集成电路 (SPIC和) 智能 功率模块 (IPM)。 HVIC是多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路在单片上的集成，由于它 的功率器件是横向的、电流容量较小，而控制电路的电流密度较大，故常用于 小型电机驱动、平板显示驱动及长途电话通信电路等高电压、小电流场合。已 5 有 110V/13A 和

17、550V/ 0. 5 A、80V/2A/200kHz以及 500V/600mA的 HVIC分别用于上述装置。 SPIC是由一个或几个纵型结构的功率器件与控制和保护电路集成而成，电 流容量大而耐压能力差，适合作为电机驱动、汽车功率开关及调压器等。 IPM 除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故 障监测电路，并可将监测信号传送至 CPU，以保证 IPM 自身在任何情况下不受 损坏。 6 / 13 当前， IPM中的功率器件一般由 IGBT充当。由于 IPM 体积小、可靠性高、 使用方便，故深受用户喜爱。 IPM 主要用于交流电机控制、家用电器等。已有 400V/55kW/20

18、kHzIPM 面市。 自 1981 年美国试制出第一个 PIC以来， PIC技术获得了快速发展；今后， PIC必将朝着高压化、智能化的方向更快发展并进入普遍实用阶段。 电力电子器件的应用已深入到工业生产和社会生活的各个方面，实际的需 要必将极大地推动器件的不断创新。微电子学中的超大规模集成电路技术将在 电力电子器件的制作中得到更广泛的应用；具有高载流子迁移率、强的热电传 导性以及宽带隙的新型半导体材料，如砷化镓、碳化硅、人造金刚石等的运用 将有助于开发新一代高结温、高频率、高动态参数的器件。从结构看，器件将 复合型、模块化；从性能看，发展方向将是提高容量和工作频率、降低通态压 降、减小驱动功率

19、、改善动态参数和多功能化；从应用看， MPS电力整流管、 MOSFET、IGBT、MCT是最有发展前景的器件。今后研制工作的重点将是进一步 改善 MPS的软反向恢复特性，提高 IGBT和 MCT 的开关频率和额定容量，研制 智能 MOSFET和 IGBT模块，发展功率集成电路以及其它功率器件。 GTO将继续 在超高压、大功率领域发挥作用；功率 MOSFET在高频、低压、小功率领域具 有竟争优势；超高压 （8000V以上 ）、大电流普通晶闸管在高压直流输电和静止无 功功率补偿装置中的作用将会得到延续，而低压普通晶闸管和GTR则将逐步被 功率 MOSFET（600V以下）和 IGBT（600V以上

20、）所代替； MCT最具发展前途。可以 预见，电力电子器件的发展将会日新月异，电力电子器件的未来将充满生机。 6 新型电力电子器件 IGCT及其应用 2010-3-24 16:47:00 IGCT是一种在大功率开关器件 GTO基础上改进而成的新型大功率电力电子 器件。和 GTO相比， IGCT的关断时间降低了 30%，功耗降低 40%。IGCT不需要 吸收电路，可以像晶闸管一样导通，像 IGBT一样关断，并且具有最低的功率损 耗。 IGCT在使用时只需将它连接到一个 20V 的电源和一根光纤上就可以控制它 的开通和关断。由于 IGCT设计理想，使得 IGCT的开通损耗可以忽略不计，再加 上它的低

21、导通损耗，使得它可以在以往大功率半导体器件所无法满足的高频率 下运行。 概述 7 / 13 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，能承受较高的电压；在导通状态时，能承受大电流并具有 很低的压降；在开关转换时，开 /关速度快，能承受很高的 di/dt 和 dv/dt ，同时 还应具有全控功能。 自从 50 年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到上述 理想目标做出了不懈的努力。 60 年代后期，可关断晶闸管 GTO实现了门极可关 断功能，并使斩波工作频率扩展到 1kHz以上。 70年代中期，高功率晶体管和功 率 MOSFET问世，功率器件实现了场控功能

22、，打开了高频应用的大门。 80 年 代，绝缘栅门控双极型晶体管（ IGBT）问世，它综合了功率 MOSFET和双极型 功率晶体管两者的功能。它的迅速发展，又激励了人们对综合功率MOSFET和 晶闸管两者功能的新型功率器件 -MOSFET门控晶闸管的研究。因此，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。 大功率器件及其发展 门极关断晶闸管（ GTO） 大功率晶闸管（ SCR）在过去相当一段时间内，几乎是能够承受高电压和大 电流的唯一半导体器件。因此，针对 SCR的缺点，人们很自然地把努力方向引 向了如何使晶闸

23、管具有关断能力这一点上，并因此而开发出了门极关断晶闸 管。 用 GTO晶闸管作为逆变器件取得了较为满意的结果，但其关断控制较易失 败，故仍较复杂，工作频率也不够高。而几乎是与此同时，电力晶体管（GTR） 迅速发展起来，使 GTO晶闸管相形见绰。因此，在大量的中小容量变频器中， 7GTO晶闸管已基本不用。但因其工作电流大，故在大容量变频器中仍居主要地 位。 绝缘栅双极晶体管（ IGBT） 8 / 13 IGBT是 MOSFET和 GTR相结合的产物。其主体部分与晶体管相同，也有集 电极（ C）和发射极（ E），但驱动部分却和场效应晶体管相同，是绝缘栅结 构。 IGBT的工作特点是： 控制部分与场

24、效应晶体管相同，控制信号为电压信号 UGE，输人阻抗高， 栅极电流 IG0，驱动功率很小。而其主电路部分则与 GTR相同，工作电流为集 电极电流输入。此外，其工作频率可达 20kHz。由 IGBT作为逆变器件的变频器 的载波频率一般都在 10kHz以上，故电动机的电流波形比较平滑，基本无电磁 噪声。 虽然硅双极型及场控型功率器件的研究已趋成熟，但是它们的性能仍在不 断提高和改善，近年来出现的集成门极换流晶闸管（ IGCT）可望迅速地取代 GTO。 集成门极换流晶闸管（ IGCT） 集成门极换流晶闸管 IGCT（ Integrated Gate Commutated Thyristor）是 19

25、96 年问世的一种新型半导体开关器件。该器件是将门极驱动电路与门极换流晶闸 管 GCT集成于一个整体形成的。门极换流晶闸管 GCT是基于 GTO 结构的一种新 型电力半导体器件，它不仅有与 GTO相同的高阻断能力和低通态压降，而且有 与 IGBT 相同的开关性能，即它是 GTO和 IGBT 相互取长补短的结果，是一种较 理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适合用于 6kV和 10kV的中压开关电路。 IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器容量 0.5M 3MVA，三电平逆变器 1M6MVA。若反向二极管分离，不与 IGCT 集成在一起，二电平逆变器容量可扩至 4.5MVA ，三电平扩至 9M

26、VA，现在已有这类器件构成的变频器系列产品。 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 4.5kV4kA，最高研制水平为 6kV4kA。1998 年，日本三菱公司开发了 直径为 88mm的 6kV4kA的 GCT晶闸管。 IGCT的结构与工作原理 9 / 13 IGCT与 GTO相似，也是四层三端器件， GCT内部由成千个 GCT组成，阳极 和门极共用，而阴极并联在一起。与 GTO的重要差别是 GCT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。其导通机理与 GTO一样，但 关断机理与 GTO完全不同。在 GCT的关断过程中， GCT能瞬

27、间从导通转到阻断 状态，变成一个 PNP晶体管以后再关断，所以，它无外加 dudt 限制； 8 而 GTO必须经过一个既非导通又非关断的中间不稳定状态进行转换，即 GTO 区，所以 GTO需要很大的吸收电路来抑制重加电压的变化率 dudt。阻 断状态下 GCT的等效电路可认为是一个基极开路、低增益 PNP晶体管与门极电 源的串联。 GCT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，不参与以后过程。改变器件在双极晶体管模式下关断，前提是在 P基 N 发射结外施加很高负电压，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

28、， PNP管即因无基极 电流容易关断。 GCT成为 PNP管早于它承受全阻断电压的时间，而 GTO却是赟 CR转态下承受全阻断电压的，所以 GCT可像 IGBT无缓冲运行，无二次击穿， 拖尾电流虽大但时间很短。 IGCT的关键技术 （ 1）缓冲层在传统 GTO、二极管及 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，它在相同的阻断电压下可使器件 的厚度降低约 30%。同理，在 GCT中采用缓冲层，即用较薄的硅片可达到相同 的阻断电压，因而提高了器件的效率，降低了通态压降和开关损耗，可得到较 好的 VT-Eoff。同时，采用缓冲层还使单片 GCT与二极管

29、的组合成为可能。 （2）透明阳极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。因为电子穿透该阳极时就像阳极被短路一样，因此称为透 明阳极。传统的 GTO采用阳极短路结构来达到相同目的。采用透明阳极来代替 阳极短路，可使 GCT的触发电流比传统无缓冲层的 GTO降低一个数量级。 GCT 的结构与 IGBT相比，因不含 MOS结构而从根本上得以简化。 10 / 13 （ 3）逆导技术 GCT大多制成逆导型，它可与优化续流二极管 FWD单片集 成在同一芯片上。由于二极管和 GCT享有同一个阻断结， G

30、CT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。逆导 GCT与 二极管隔离区中因为有 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。 （ 4）极驱动技术 IGCT触发功率小，可以把触发及状态监视电路和 IGCT管 芯做成一个整体，通过两根光纤输入触发信号，输出工作状态信号。 GCT与门 极驱动器相距很近（间距 15cm），该门极驱动器可以容易地装人不同的装置 中，因此可认为该结构是一种通用形式。为了使 IGCT的结构更加紧凑和坚固， 用门 9 极驱动电路包围 GCT，并与 GCT和冷却装置形成一个自然整体，称为环绕

31、型 IGCT，其中包括 GCT门极驱动电路所需的全部元件。这两种形式都可使门极 电路的电感进一步减小，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。所以说，IGCT在 实现最低成本和功耗的前提下有最佳的性能。另外， IGCT开关过程一致性好， 可以方便地实现串、并联，进一步扩大功率范围。 总之，在采用缓冲层、透明阳极、逆导技术和门极驱动技术后， IGCT从 GTO中脱颖而出，在所有中高压领域及功率为 0.5M 100MVA 的应用中代替了 GTO。 IGCT变频器 低压 IGBT和高压 IGBT在高电压变频器中都采用。 IGBT具有快速的开关性 能，但在高压变频中其导电损耗大，而且需要许多 IGBT复杂地串联在一起。 对低压 IGBT来讲，高压 IGBT串联的数量相对要少一些，但导电损耗却更 高。 元件总体数量增加使变频器可靠性降低、柜体尺寸增大