新型电力电子器件

2011-5-16中原工学院2011-5-16新型电力电子器件概述机电082裴文星200800384208一MOS控制晶闸管MCTMCT(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。但经过十多年的努力，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，目前从事乂口研究的人不是很多。二静电感应晶体管SIT静电感应晶体管SIT(StaticInductionTransistor)，是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，而不是像普通结型场效应晶体管那样呈饱和五极管特性。

新型电力电子器件

2011-5-161952年日本的渡边、西泽等人提出模拟晶体管的模型， 1971年9月日本西泽润一发表SIT的研究结果。在70年代中期，它作为音频功率放大器件在日本国内得到了迅速的发展，先后制出最高截止频率 10兆赫、输出功率1千瓦和30兆赫、输出功率达2千瓦的静电感应晶体管。1974年之后，高频和微波功率静电感应晶体管有较大发展。已出现1吉赫下输出功率100瓦的内匹配合成器件和2吉赫下输出10瓦左右的器件。静电感应型硅可控整流器已做到导通电流 30安（压降为0.9伏），开关时间P+P+图2埋栅错构静电感应晶体管为110纳秒。另外，已研制出MOS型SIT和SIT低功耗、高速集成电路，其逻辑门的功率-延迟积的理论值可达1X10-15焦以下。SIT具有非饱和型电流电压输出特性它和三极电子管的输出特性相类似。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

中原工学院新型电力电子器件中原工学院静电感应晶体管电连接的,因此称为静电感应晶体管。SIT和一般场效应晶体管（FET）在结构上的主要区别是：①SIT沟道区掺杂浓度低，为1012〜1015厘米-3,FET则为1015〜1017厘米-3；②SIT具有短沟道，在输出特性上，前者为非饱和型三极管特性，后者为饱和型五极管特性。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（图2）,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。中国已研制出具有这种结构的SIT器件有：400兆赫，1〜40瓦；1000兆赫，1〜12瓦及1500兆赫，6瓦的SIT器件。另外，还制出600兆赫下耗散功率2.3瓦、噪声系数小于3分贝的功率低噪声SIT。和双极型晶体管相比，SIT具有以下的优点：①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。②输入阻抗高、输出阻抗低，可直接构成OTL电路。③SIT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。④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。⑤无二次击穿效应，可靠性高。⑥低温性能好，在 -19℃下工作正常。⑦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。三静电感应晶闸管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5。、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。新型电力电子器件2011-5-16静电感应晶闸管SITH（StaticInductionThyristor）诞生于1972年，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可以做成常开型，也可以做成常关型，SITH的结构与SIT或BSIT类似，所不同的只是阳极P+代替了n+漏区（见图1）。其结构可以是表面栅型或埋栅型。为了提高阻断增益，表面栅型SITH采用了n--n-p+漏区非对称结构.下图为SITH的结构示意图。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

中原工学院新型电力电子器件中原工学院及dv/dt的耐量高。SITH为场控器件，不像SCR及GTO那样有体内再生反馈机理，所以不会因dv/dt过高而产生误触发现象。SITH与SIT一样，可以通过电场控制阳极电流，在栅极没有信号时，器件是导通的。与SIT相比，SITH多了一个具有少子注入功能的PN结，SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与 GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，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。四集成门极换流晶闸管IGCT集成栅极换流晶闸管IGCT(IntergratedGateCommutatedThyristors)是1996年问世的用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。 IGCT是一种基于GTO结构、利用集成栅极结构进行栅极硬驱动、采用缓冲层结构及阳极透明发射极技术的新型大功率半导体开关器件，具有晶闸管的通态特性及晶体管的开关特性。由于采用了缓冲结构以及浅层发射极技术，因而使动态损耗降低了约 50%,另外，此类器件还在一个芯片上集成了具有良好动态特性的续流二极管， 从而以其独特的方式实现了晶闸管的低通态压降、高阻断电压和晶体管稳定的开关特性有机结合 .表1 几种开关元件的主妾性能器件种类容&平均开关期屣开关频率MOSFET500V,240A低高IGBT3.3kV,E2kA低中GTO6kV-,6kA高'-低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。IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和栅极驱动电路集成在一起，再与其栅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5

新型电力电子器件2011-5-16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。下图为不对称IGCT的外形图.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有重要差别的是IGCT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。导通机理与GTO完全一样，但关断机理与GTO完全不同，在IGCT的关断过程中，GCT能瞬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du/dt限制；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du/dt。阻断状态下IGCT的等效电路可认为是一个基极开路、低增益pnp晶体管与栅极电源的串联。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。IGCT将GTO技术与现代功率晶体管IGBT的优点集于一身，利用大功率关断器件可简单可靠地串联这一关键技术，使得 IGCT在中高压领域以及功率在0.5MVA〜100MVA的大功率应用领域尚无真正的对手。IGCT损耗低、开关快速等