1.项目八任务一 认识新型电力电子器件

电力电子技术主编徐立娟

认识新型电力电子器件

1项目描述2任务描述与目标3相关知识4任务实施提

纲

一、项目描述随着电力电子技术应用的不断发展，对电力电子器件性能指标和可靠性的要求日益苛刻，要求电力电子器件具有更大的电流密度、更高的工作温度、更强的散热能力、更高的工作电压、更低的通态压降和更快的开关时间。尽管以硅为半导体材料的双极型功率器件和场控型功率器件已趋于成熟，但是各种新结构和新工艺的引入，仍可使其性能得到进一步改善和提高，如MCT（MOSControlledThyristor，MOS门控晶闸管）、IGCT（IntegratedGateCommutatedThyristor，集成门极换流晶闸管）、IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor，注射增强型门极晶体管）具有相当大的竞争力。由于环境、能源、社会和高效化的要求，未来电力电子设备和系统的应用热点将集中在变频调速、智能电网、汽车电子、信息和办公自动化、家用特种电源、牵引用特种电源、新能源及燃料电源等方面。

二、任务描述与目标任务名称：认识新型电力电子器件任务描述：随着GTR和PowerMOSFET的问世，大功率器件打开了高频应用的大门。IGBT的迅速发展激励人们对综合PowerMOSFET和晶闸管功能的新型功率器件——PowerMOSFET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、MCT，以及采用新型半导体材料制造新型的功率器件等。本任务介绍集成门极换流晶闸管（IGCT）、MOS门控晶闸管（MCT）和发射极关断晶闸管（ETO）

二、任务描述与目标任务目标：（1）了解电力电子器件的发展趋势。（2）熟悉IGCT、MCT和ETO器件。（3）培养信息收集与检索、自我学习的能力。

三、相关知识集成门极换流晶闸管01集成门极换流晶闸管（IntegratedGateCommutatedThyristor，IGCT）是一种新型电力电子器件。它将GCT芯片与门极驱动器在外围以低电感方式集成在一起，综合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，关断阶段发挥晶体管的特性。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，而且成本低、成品率高，具有很好的应用前景。IGCT不需要吸收电路，可以像晶闸管一样导通，像IGBT一样关断，并且具有非常低的功率损耗。在使用IGCT时只需将它与一个20V的电源和一根光纤连接就可以控制它的开通和关断。由于IGCT结构设计上采用新技术，IGCT的开通损耗可以忽略不计，再加上它的低导通损耗，因此它可以在以往大功率半导体器件所无法满足的高频率下工作。

三、相关知识集成门极换流晶闸管01

三、相关知识集成门极换流晶闸管01（1）IGCT的结构。IGCT是GCT和集成门极驱动电路的合称，二者通过极低的阻抗连接。IGCT内部由几千个小GCT元件组成，它们公用一个阳极，而阴极和门极则分别并联在一起，其目的是利用门极实现器件的关断。GCT是在GTO的结构上引入缓冲层、透明阳极和集成快速续流二极管结构形成的。因此，GCT与GTO类似，都是具有PNPN四层，以及阳极、阴极和门极的三端器件。IGCT的结构及图形符号如图所示。IGCT的结构和工作原理

三、相关知识集成门极换流晶闸管01IGCT的结构和工作原理

三、相关知识集成门极换流晶闸管01按照GCT内部结构，IGCT可以分为3类。①不对称型。GCT在结构上是单纯的PNPN晶闸管结构，不具有承受反向电压的能力，也不能流过反向电流。在电压源型变流器运行时，需要从外部并联续流二极管。②反向阻断型。GCT在结构上是一个PNPN晶闸管与一个二极管串联，电流只能向一个方向（从阳极到阴极）流通，串联的二极管为这类器件提供承受反向电压的能力，用于电流源型变流器。③反向导通型。GCT在结构上是一个PNPN晶闸管与一个续流二极管反向并联，电流可以向两个方向流动，不会承受反向电压，适用于电压源型变流器。由于GCT与续流二极管集成在同一个芯片上，不需要从外部并联续流二极管，因此其结构更加简洁，体积更小。IGCT的结构和工作原理

三、相关知识集成门极换流晶闸管01（2）IGCT的工作原理。当IGCT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。在关断状态下，门极-阴极间的PN结为反向偏置并有效地退出工作状态。IGCT的导通状态和阻断状态的工作原理如图所示。IGCT的结构和工作原理

三、相关知识集成门极换流晶闸管01IGCT关断时，通过打开一个与阴极串联的开关（通常是PowerMOSFET），使P基极、N发射极反偏，从而阻止电荷从阴极注入；将整个阳极电流由阴极迅速转向门极。这样便把GTO转化成一个无接触基区的PNP晶体管，消除阴极发射极的正反馈作用。这样，它的最大关断电流比传统GTO的额定电流高出许多。IGCT的结构和工作原理

三、相关知识集成门极换流晶闸管01（1）阻断参数。①正向断态重复峰值电压UDRM。IGCT在阻断状态下能承受的最大正向重复电压（门极加-2V以上反向电压）。②反向断态重复峰值电压URRM。IGCT在阻断状态下能承受的最大反向重复电压。对所有的不对称型IGCT，这个值在0~17V的范围内。③断态重复峰值电流IDRM。IGCT在重复峰值电压下的最大正向漏电流（门极加-2V以上反向电压）。④中间直流电压UDClink。器件在海平面、露天环境、宇宙射线条件下，对应100FIT（FailuresInTime）失效率时，IGCT能够长期承受的直流电压。（1FIT表示在109小时内出现1次失效）。IGCT的特性参数

三、相关知识集成门极换流晶闸管01（2）通态参数。①最大通态平均电流IT(AV)M：指IGCT工作在壳温85℃、正弦半波电流条件下，通态电流的最大平均值。②最大通态有效值电流IT(RMS)：指IGCT工作在壳温85℃、正弦半波电流条件下，通态电流的最大有效值。③最大不重复浪涌电流ITSM：指IGCT工作在最大结温125℃时所允许的最大瞬时电流值。此值的大小与浪涌电流的持续时间有关。④通态电压UT。给定通态电流（通常是最大可关断电流）和结温条件下，IGCT的通态管压降。IGCT的特性参数

三、相关知识MOS门控晶闸管02MOS门控晶闸管（MOSControlledThyristor，MCT）是一种新型PowerMOSFET与晶闸管复合而成的器件。它采用集成电路工艺，在普通晶闸管结构中嵌入大量MOS器件，通过MOS器件的通断来控制晶闸管的导通与关断。MCT既具有PowerMOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又具有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。

三、相关知识MOS门控晶闸管02（1）MCT的结构。MCT可分为P型或N型，对称关断或不对称关断，单端或双端，OFF_x0002_FET门极控制和不同的导通选择（包括光控导通）。所有这些类型都有一个共同特点，即通过OFF-FET，使一个或两个晶闸管的发射极-基极结短路来完成MCT的关断。这里以P型不对称关断MCT为例进行说明。MCT的内部结构、等效电路及电气符号如图。该等效电路与一般的晶闸管模型基本相同，只是加入了ON-FET和OFF-FET。MCT在晶闸管中采用集成电路工艺集成一对PowerMOSFET（ON-FET和OFF-FET）来控制晶闸管的导通与关断，两组PowerMOSFET的栅极连在一起，构成MCT的单门极。IGCT的结构和工作原理

三、相关知识MOS门控晶闸管02IGCT的结构和工作原理

三、相关知识MOS门控晶闸管02（2）MCT的工作原理。MCT和晶闸管一样有3个极，即阳极A、阴极K和门极G，但门极控制原理不同。晶闸管是电流控制器件，而MCT是电压控制器件。晶闸管的控制信号加在门极和阴极两端，而MCT控制信号加在门极与阳极两端。P-MCT的开通和关断过程如下。IGCT的结构和工作原理

三、相关知识MOS门控晶闸管02①当MCT门极相对于阳极加-15～-5V的负脉冲电压时，ON-FET导通，它的漏极电流使NPN晶体管导通，NPN晶体管的集电极电流（空穴）使PNP晶体管导通，而PNP晶体管的集电极电流（电子）促使NPN晶体管导通，这样的正反馈使MCT迅速由截止状态转入导通状态，并处于擎住状态。②当MCT门极相对于阳极施加10V左右正脉冲电压时，OFF-FET导通，它的漏极电流使NPN晶体管导通，PNP晶体管的基极-发射极被短路，使PNP晶体管截止，从而破坏晶体管的擎住条件，使MCT关断。IGCT的结构和工作原理

三、相关知识MOS门控晶闸管02（1）断态峰值电压UDRM。MCT断态下允许的最高A-K极间正向电压，又称击穿电压。（2）额定正向阻断电压UDR。MCT可以在断态下安全工作的电压，又称最大允许关断电压，UDR=0.6UDRM。（3）阴极连续电流IK。在某一结温下，器件允许连续通过的电流。（4）阴极非重复峰值电流IKSM。通态下所允许流过器件的最大电流，一般IKSM≥IK，说明MCT瞬时过载能力很强。MCT的主要参数

三、相关知识发射极关断晶闸管03发射极关断晶闸管（ETO）是世界上容量最大的MOS控制型电力电子器件之一。它可被看成GTO的改良版，由GTO和PowerMOSFET混合组成，因此既保留了GTO的大功率特性，也改善了其开关能力和控制特性，是满足高性能电能变换技术要求的新型大功率电力电子器件。通过特殊结构实现的单位增益关断技术大大改善了ETO的关断特性，提高了工作频率，增大了安全工作范围，同时使它更易于串、并联使用。在不久的将来，ETO有望取代晶闸管和GTO，成为大功率电力电子应用领域中的主流器件。

三、相关知识发射极关断晶闸管03ETO的结构及工作原理ETO的结构原理与电气符号如图所示，它通过一对PowerMOSFET来控制GTO的通断，其中VQE充当发射极开关与GTO串联，VQG充当门极开关与GTO门极串联。

三、相关知识发射极关断晶闸管03ETO的结构及工作原理开启ETO时，VQE导通，VQG关断，同时向GTO的门极注入电流，ETO就会导通。由于GTO的存在，通常的开启电流对于ETO仍然是必要的。导通需要的能量由ETO门极驱动器提供。ETO在导通状态下，一般要向GTO的门极提供一个小的直流电流信号，以确保GTO保持较低的通态损耗。

三、相关知识发射极关断晶闸管03ETO的结构及工作原理关断ETO时，VQG导通，VQE关断，切断GTO的阴极电流，GTO阴极电流被强制全部转换到门极电路而关断ETO，这一过程持续时间非常短，因此关断速度很快。另外，与GTO关断不同的是，ETO的关断过程是电压控制型，其关断能量由阳极电流提供，因此ETO的门极驱动电路可以很紧凑，并且消耗功率可以很小。

三、相关知识发射极关断晶闸管03ETO的主要工作特性ETO具有优良的特性，主要是因为其采用独特的硬驱动技术。在ETO中，硬驱动是由VQE和VQG共同完成的，在硬驱动关断条件下，VQE关断，VQG导通，GTO的阴极电流在阳极电压上升之前几乎瞬间被换流到门极，这样GTO的发射结在关断过程中就会全部反偏，加速ETO均匀关断。由于硬驱动关断中门极电流与阳极电流相等，因此该过程又称为单位增益关断。在这种单位增益关断条件下，ETO的关断过程实际上变为一个PNP晶体管导通的过程，它可进一步确保在整个关断的暂态过程中电流在GTO元中均匀分布，而不至于发生拥挤现象，因此可实现ETO无缓冲关断。ETO的关断过程波形如图所示。其中，Ua和Ia分别为阳极电压和阳极电流。

三、相关知识发射极关断晶闸管03ETO的主要工作特性

三、相关知识发射极关断晶闸管03ETO的主要工作特性另外，在硬驱动关断条件下，关断时间大大缩短，关断电流在GTO元中均匀分布。虽然单个GTO元的电流限制不变，但总电流大大增加，因此采用硬驱动技术的ETO比普通GTO具有更宽的反向偏置安全工作区（ReverseBiasedSafeOperationArea，RBSOA）。

三、相关知识发射极关断晶闸管03ETO的主要工作特性由于硬驱动GTO能通过很大的门极电流迅速移除电荷，因此其能够大大提高ETO的工作速度，其速度可达GTO的5～10倍。对于关断过程，存储时间只有1μs，而典型GTO的存储时间为20μs左右，加上电流下降时间缩短为0.5μs左右，因此ETO总的最小关断时间可低于20μs，而典型GTO的最小关断时间大约为80μs。另外，因为ETO门极的杂散电感降低，所以注入的开通电流脉冲的幅值可以更高、频率更快，这样可进一步加速开通过程。型号为ETO1045S的1kV的ETO开通时间小于20μs。假设开关脉冲的最小和最大占空比分别为10%、90%，则该ETO的最大开关频率可达5kHz。

三、相关知识发射极关断晶闸管03ETO的主要工作特性由于PowerMOSFET是典型的电压控制型器件，而ETO的关断是由PowerMOSFET控制的，因此关断ETO就像关断IGBT一样容易，只需要一个电压信号就可关断数千安培的电流。但是ETO的导通仍然属于电流控制型，同时需要一个额外的用