功率器件的發(fā)展歷程

1、功率器件的發(fā)展歷程IGBT、GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IGCT2009-12-0808:49引言電力電子技術包括功率半導體器件與IC技術、功率變換技術及控制技術等幾個方面，其中電力電子器件是電力電子技術的重要基礎，也是電力電子技術發(fā)展的“龍頭”從1958年美國通用電氣（GE）公司研制出世界上第一個工業(yè)用普通晶閘管開始，電能的變換和控制從旋轉的變流機組和靜止的離子變流器進入由電力電子器件構成的變流器時代，這標志著電力電子技術的誕生。到了70年代，晶閘管開始形成由低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品。同時，非對稱晶閘管、逆導晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等晶閘管派生器件相繼問世，廣泛應用

2、于各種變流裝置。由于它們具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、響應快等優(yōu)點，其研制及應用得到了飛速發(fā)展。由于普通晶閘管不能自關斷，屬于半控型器件，因而被稱作第一代電力電子器件。在實際需要的推動下，隨著理論研究和工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量和類型等方面得到了很大發(fā)展，先后出現(xiàn)了GTR、GTO、功率MOSET等自關斷、全控型器件，被稱為第二代電力電子器件。近年來，電力電子器件正朝著復合化、模塊化及功率集成的方向發(fā)展，如IGPT、MCT、HVIC等就是這種發(fā)展的產(chǎn)物。電力整流管整流管產(chǎn)生于本世紀40年代，是電力電子器件中結構最簡單、使用最廣泛的一種器件。目前已形成普通整流管、快恢復整流管和肖

3、特基整流管等三種主要類型。其中普通整流管的特點是：漏電流小、通態(tài)壓降較高（1018V）、反向恢復時間較長（幾十微秒）、可獲得很高的電壓和電流定額。多用于牽引、充電、電鍍等對轉換速度要求不高的裝置中。較快的反向恢復時間（幾百納秒至幾微秒）是快恢復整流管的顯著特點，但是它的通態(tài)壓降卻很高（1640V）。它主要用于斬波、逆變等電路中充當旁路二極管或阻塞二極管。肖特基整流管兼有快的反向恢復時間(幾乎為零)和低的通態(tài)壓降(0."30."6V)的優(yōu)點，不過其漏1電流較大、耐壓能力低，常用于高頻低壓儀表和開關電源。目前的研制水平為:普通整流管(8000V/5000A/400HZ)；快恢復

4、整流管(6000V/1200A/1000HZ)；肖特基整流管(1000V/100A/200kHz)。電力整流管對改善各種電力電子電路的性能、降低電路損耗和提高電源使用效率等方面都具有非常重要的作用。隨著各種高性能電力電子器件的出現(xiàn)，開發(fā)具有良好高頻性能的電力整流管顯得非常必要。目前，人們已通過新穎結構的設計和大規(guī)模集成電路制作工藝的運用，研制出集PIN整流管和肖特基整流管的優(yōu)點于一體的具有MPS、SPEED和SSD等結構的新型高壓快恢復整流管。它們的通態(tài)壓降為1V左右，反向恢復時間為PIN整流管的1/2，反向恢復峰值電流為PIN整流管的1/普通晶閘管及其派生器件晶閘管誕生后，其結構的改進和工藝

5、的改革，為新器件的不斷出現(xiàn)提供了條件。1964年，雙向晶閘管在GE公司開發(fā)成功，應用于調(diào)光和馬達控制；1965年，小功率光觸發(fā)晶閘管出現(xiàn)，為其后出現(xiàn)的光耦合器打下了基礎；60年代后期，大功率逆變晶閘管問世，成為當時逆變電路的基本元件；1974年，逆導晶閘管和非對稱晶閘管研制完成。普通晶閘管廣泛應用于交直流調(diào)速、調(diào)光、調(diào)溫等低頻(400HZ以下)領域，運用由它所構成的電路對電網(wǎng)進行控制和變換是一種簡便而經(jīng)濟的辦法。不過，這種裝置的運行會產(chǎn)生波形畸變和降低功率因數(shù)、影響電網(wǎng)的質(zhì)量。目前水平為12kV/1kA和6500V/4000A。雙向晶閘管可視為一對反并聯(lián)的普通晶閘管的集成，常用于交流調(diào)壓和調(diào)功

6、電路中。正、負脈沖都可觸發(fā)導通，因而其控制電路比較簡單。其缺點是換向能力差、觸發(fā)靈敏度低、關斷時間較長，其水平已超過2000V/500A。光控晶閘管是通過光信號控制晶閘管觸發(fā)導通的器件，它具有很強的抗干擾能力、良好的高壓絕緣性能和較高的瞬時過電壓承受能力，因而被應用于高壓直流輸電(HVDC)、靜止無功功率補償(SVC)等領域。其研制水平大約為8000V/3600A。2逆變晶閘管因具有較短的關斷時間(1015s)而主要用于中頻感應加熱。在逆變電路中，它已讓位于GTR、GTO、IGBT等新器件。目前，其最大容量介于2500V/1600A/1kHz和800V/50A/20kHz的范圍之內(nèi)。非對稱晶閘

7、管是一種正、反向電壓耐量不對稱的晶閘管。而逆導晶閘管不過是非對稱晶閘管的一種特例，是將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。與普通晶閘管相比，它具有關斷時間短、正向壓降小、額定結溫高、高溫特性好等優(yōu)點，主要用于逆變器和整流器中。目前，國內(nèi)有廠家生產(chǎn)3000V/900A的非對稱晶閘管。全控型電力電子器件門極可關斷晶閘管(GTO)1964年，美國第一次試制成功了500V/10A的GTO。在此后的近10年內(nèi)，GTO的容量一直停留在較小水平，只在汽車點火裝置和電視機行掃描電路中進行試用。自70年代中期開始，GTO的研制取得突破，相繼出世了1300V/600A、2500V/1000A、4

8、500V/2400A的產(chǎn)品，目前已達9kV/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。GTO有對稱、非對稱和逆導三種類型。與對稱GTO相比，非對稱GTO通態(tài)壓降小、抗浪涌電流能力強、易于提高耐壓能力（3000V以上）。逆導型GTO是在同一芯片上將GTO與整流二極管反并聯(lián)制成的集成器件，不能承受反向電壓，主要用于中等容量的牽引驅動中。在當前各種自關斷器件中，GTO容量最大、工作頻率最低（12kHz）。GTO是電流控制型器件，因而在關斷時需要很大的反向驅動電流；GTO通態(tài)壓降大、dV/dT及di/dt耐量低，需要龐大的吸收電路。目前，GTO雖然在低于2000V的某些領域內(nèi)已被GTR和I

9、GRT等所替代，但它在大功率電力牽引中有明顯優(yōu)勢；今后，它也必將在高壓領域占有一席之地。大功率晶體管（GTR）GTR是一種電流控制的雙極雙結電力電子器件，產(chǎn)生于本世紀70年代，其額定值已達1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具備晶體管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、開關損耗小、開關時間短，在電源、電機控制、通用逆變器等中等容量、中等3頻率的電路中應用廣泛。GTR的缺點是驅動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。在開關電源和UPS內(nèi)，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。功率MOSF

10、ET功率MOSFET是一種電壓控制型單極晶體管，它是通過柵極電壓來控制漏極電流的，因而它的一個顯著特點是驅動電路簡單、驅動功率??；僅由多數(shù)載流子導電，無少子存儲效應，高頻特性好，工作頻率高達100kHz以上，為所有電力電子器件中頻率之最，因而最適合應用于開關電源、高頻感應加熱等高頻場合；沒有二次擊穿問題，安全工作區(qū)廣，耐破壞性強。功率MOSFET的缺點是電流容量小、耐壓低、通態(tài)壓降大，不適宜運用于大功率裝置。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHZ。復合型電力電子器件絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）IGBT是由美國GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，當時容量

11、僅500V/20A,且存在一些技術問題。經(jīng)過幾年改進，IGBT于1986年開始正式生產(chǎn)并逐漸系列化。至90年代初，IGBT已開發(fā)完成第二代產(chǎn)品。目前，第三代智能IGBT已經(jīng)出現(xiàn)，科學家們正著手研究第四代溝槽柵結構的IGBToIGBT可視為雙極型大功率晶體管與功率場效應晶體管的復合。通過施加正向門極電壓形成溝道、提供晶體管基極電流使IGBT導通；反之，若提供反向門極電壓則可消除溝道、使IGBT因流過反向門極電流而關斷。IGBT集GTR通態(tài)壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅動功率小、開關速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點于一身，因此備受人們青睞。它的研制成功為提高電力電子裝置的性能，

12、特別是為逆變器的小型化、高效化、低噪化提供了有利條件。比較而言，IGBT的開關速度低于功率MOSFET，卻明顯高于GTR；IGBT的通態(tài)壓降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；IGBT的電流、電壓等級與GTR接近，而比功率MOSFET高。目前，其研制水平已達4500V/1000A。由于IGBT具有上述特點，在中等功率容量(600V以上)的UPS、開關電源及交流電機控制用PWM逆變器中，IGBT已逐步替代GTR成為核心元件。另外，IR公司已設計出開關頻4率高達150kHz的WARP系列400600VIGBT，其開關特性與功率MOSFET接近，而導通損耗卻比功率MOSFET低得多。該系列IG

13、BT有望在高頻150kHz整流器中取代功率MOSFET，并大大降低開關損耗。IGBT的發(fā)展方向是提高耐壓能力和開關頻率、降低損耗以及開發(fā)具有集成保護功能的智能產(chǎn)品。MOS控制晶閘管(MCT)MCT最早由美國GE公司研制，是由MOSFET與晶閘管復合而成的新型器件。每個MCT器件由成千上萬的MCT元組成，而每個元又是由一個PN晶閘管、一個控制MCT導通的MOSFET和一個控制MCT關斷的MOSFET組成。MCT工作于超掣住狀態(tài)，是一個真正的PN器件，這正是其通態(tài)電阻遠低于其它場效應器件的最主要原因。MCT既具備功率MOSFET輸入阻抗高、驅動功率小、開關速度快的特性，又兼有晶閘管高電壓、大電流、

14、低壓降的優(yōu)點。其芯片連續(xù)電流密度在各種器件中最高，通態(tài)壓降不過是IGBT或GTR的1/3,而開關速度則超過GTR。此外，由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面積通斷，故MCT具有很強的導通di/dt和阻斷dV/dt能力，其值高達2000A/s和2000V/s。其工作結溫亦高達150200U。已研制出阻斷電壓達4000V的MCT，75A/1000VMCT已應用于串聯(lián)諧振變換器。隨著性能價格比的不斷優(yōu)化，MCT將逐漸走入應用領域并有可能取代高壓GTO，與IGBT的競爭亦將在中功率領域展開。功率集成電路(PIC)PIC是電力電子器件技術與微電子技術相結合的產(chǎn)物，是機電一體化的關鍵接口元件

15、。將功率器件及其驅動電路、保護電路、接口電路等外圍電路集成在一個或幾個芯片上，就制成了PIC。一般認為，PIC的額定功率應大于1W。功率集成電路還可以分為高壓功率集成電路(HVIC)、智能功率集成電路(SPIC)和智能功率模塊(IPM)。HVIC是多個高壓器件與低壓模擬器件或邏輯電路在單片上的集成，由于它的功率器件是橫向的、電流容量較小，而控制電路的電流密度較大，故常用于小型電機驅動、平板顯示驅動及長途電話通信電路等高電壓、小電流場合。已5有110V/13A和550V/0."5A、80V/2A/200kHz以及500V/600mA的HVIC分別用于上述裝置。SPIC是由一個或幾個縱型

16、結構的功率器件與控制和保護電路集成而成，電流容量大而耐壓能力差，適合作為電機驅動、汽車功率開關及調(diào)壓器等。IPM除了集成功率器件和驅動電路以外，還集成了過壓、過流、過熱等故障監(jiān)測電路，并可將監(jiān)測信號傳送至CPU，以保證IPM自身在任何情況下不受損壞。當前，1PM中的功率器件一般由IGBT充當。由于IPM體積小、可靠性高、使用方便，故深受用戶喜愛。IPM主要用于交流電機控制、家用電器等。已有400V/55kW/20kHzIPM面市。自1981年美國試制出第一個PIC以來，PIC技術獲得了快速發(fā)展；今后，PIC必將朝著高壓化、智能化的方向更快發(fā)展并進入普遍實用階段。電力電子器件的應用已深入到工業(yè)生

17、產(chǎn)和社會生活的各個方面，實際的需要必將極大地推動器件的不斷創(chuàng)新。微電子學中的超大規(guī)模集成電路技術將在電力電子器件的制作中得到更廣泛的應用；具有高載流子遷移率、強的熱電傳導性以及寬帶隙的新型半導體材料，如砷化鎵、碳化硅、人造金剛石等的運用將有助于開發(fā)新一代高結溫、高頻率、高動態(tài)參數(shù)的器件。從結構看，器件將復合型、模塊化；從性能看，發(fā)展方向將是提高容量和工作頻率、降低通態(tài)壓降、減小驅動功率、改善動態(tài)參數(shù)和多功能化；從應用看，MPS電力整流管、MOSFET、IGBT、MCT是最有發(fā)展前景的器件。今后研制工作的重點將是進一步改善MPS的軟反向恢復特性，提高IGBT和MCT的開關頻率和額定容量，研制智能

18、MOSFET和IGBT模塊，發(fā)展功率集成電路以及其它功率器件。GTO將繼續(xù)在超高壓、大功率領域發(fā)揮作用；功率MOSFET在高頻、低壓、小功率領域具有竟爭優(yōu)勢；超高壓（8000V以上）、大電流普通晶閘管在高壓直流輸電和靜止無功功率補償裝置中的作用將會得到延續(xù)，而低壓普通晶閘管和GTR則將逐步被功率MOSFET（6OOV以下）和IGBT（600V以上）所代替；MCT最具發(fā)展前途?？梢灶A見，電力電子器件的發(fā)展將會日新月異，電力電子器件的未來將充滿生機。6新型電力電子器件IGCT及其應用2010-3-2416:47:00IGCT是一種在大功率開關器件GTO基礎上改進而成的新型大功率電力電子器件。和GT

19、O相比，IGCT的關斷時間降低了30%，功耗降低40%。IGCT不需要吸收電路，可以像晶閘管一樣導通，像IGBT一樣關斷，并且具有最低的功率損耗。IGCT在使用時只需將它連接到一個20V的電源和一根光纖上就可以控制它的開通和關斷。由于IGCT設計理想，使得IGCT的開通損耗可以忽略不計，再加上它的低導通損耗，使得它可以在以往大功率半導體器件所無法滿足的高頻率下運行。概述一個理想的功率器件，應當具有下列理想的靜態(tài)和動態(tài)特性:在截止狀態(tài)時，能承受較高的電壓；在導通狀態(tài)時，能承受大電流并具有很低的壓降；在開關轉換時，開/關速度快，能承受很高的di/dt和dv/dt，同時還應具有全控功能。自從50年代

20、硅晶閘管問世以后，功率半導體器件的研究工作者為達到上述理想目標做出了不懈的努力。60年代后期，可關斷晶閘管GTO實現(xiàn)了門極可關斷功能，并使斬波工作頻率擴展到1kHz以上。70年代中期，高功率晶體管和功率MOSFET問世，功率器件實現(xiàn)了場控功能，打開了高頻應用的大門。80年代，絕緣柵門控雙極型晶體管（IGBT）問世，它綜合了功率MOSFET和雙極型功率晶體管兩者的功能。它的迅速發(fā)展，又激勵了人們對綜合功率MOSFET和晶閘管兩者功能的新型功率器件-MOSFET門控晶閘管的研究。因此，當前功率器件研究工作的重點主要集中在研究現(xiàn)有功率器件的性能改進、MOS門控晶閘管以及采用新型半導體材料制造新型的功

21、率器件等。大功率器件及其發(fā)展門極關斷晶閘管（GTO）大功率晶閘管（SCR）在過去相當一段時間內(nèi)，幾乎是能夠承受高電壓和大電流的唯一半導體器件。因此，針對SCR的缺點，人們很自然地把努力方向引向了如何使晶閘管具有關斷能力這一點上，并因此而開發(fā)出了門極關斷晶閘管。用GTO晶閘管作為逆變器件取得了較為滿意的結果，但其關斷控制較易失敗，故仍較復雜，工作頻率也不夠高。而幾乎是與此同時，電力晶體管（GTR）迅速發(fā)展起來，使GTO晶閘管相形見綽。因此，在大量的中小容量變頻器中，7GTO晶閘管已基本不用。但因其工作電流大，故在大容量變頻器中仍居主要地位。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）IGBT是MOSFET和GT

22、R相結合的產(chǎn)物。其主體部分與晶體管相同，也有集電極（C）和發(fā)射極（E）,但驅動部分卻和場效應晶體管相同，是絕緣柵結構。IGBT的工作特點是：控制部分與場效應晶體管相同，控制信號為電壓信號UGE，輸人阻抗高，柵極電流IG-0，驅動功率很小。而其主電路部分則與GTR相同，工作電流為集電極電流輸入。此外，其工作頻率可達20kHz。由IGBT作為逆變器件的變頻器的載波頻率一般都在10kHz以上，故電動機的電流波形比較平滑，基本無電磁噪聲。雖然硅雙極型及場控型功率器件的研究已趨成熟，但是它們的性能仍在不斷提高和改善，近年來出現(xiàn)的集成門極換流晶閘管（IGCT）可望迅速地取代GTO。集成門極換流晶閘管（IG

23、CT）集成門極換流晶閘管IGCT（IntegratedGateCommutatedThyristor）是1996年問世的一種新型半導體開關器件。該器件是將門極驅動電路與門極換流晶閘管GCT集成于一個整體形成的。門極換流晶閘管GCT是基于GTO結構的一種新型電力半導體器件，它不僅有與GTO相同的高阻斷能力和低通態(tài)壓降，而且有與IGBT相同的開關性能，即它是GTO和IGBT相互取長補短的結果，是一種較理想的兆瓦級、中壓開關器件，非常適合用于6kV和10kV的中壓開關電路。IGCT芯片在不串不并的情況下，二電平逆變器容量0."5M3MVA，三電平逆變器1M6MVA。若反向二極管分離，不與I

24、GCT集成在一起，二電平逆變器容量可擴至4."5MVA，三電平擴至9MVA，現(xiàn)在已有這類器件構成的變頻器系列產(chǎn)品。目前，IGCT已經(jīng)商品化，ABB公司制造的IGCT產(chǎn)品的最高性能參數(shù)為4."5kV/4kA，最高研制水平為6kV/4kAo1998年，日本三菱公司開發(fā)了直徑為88mm的6kV/4kA的GCT晶閘管。IGCT的結構與工作原理IGCT與GTO相似，也是四層三端器件，GCT內(nèi)部由成千個GCT組成，陽極和門極共用，而陰極并聯(lián)在一起。與GTO的重要差別是GCT陽極內(nèi)側多了緩沖層，以透明（可穿透）陽極代替GTO的短路陽極。其導通機理與GTO一樣，但關斷機理與GTO完全不同。

25、在GCT的關斷過程中，GCT能瞬間從導通轉到阻斷狀態(tài)，變成一個PNP晶體管以后再關斷，所以，它無外加du/dt限制；8而GTO必須經(jīng)過一個既非導通又非關斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進行轉換，即"GTO區(qū)"，所以GTO需要很大的吸收電路來抑制重加電壓的變化率du/dt。阻斷狀態(tài)下GCT的等效電路可認為是一個基極開路、低增益PNP晶體管與門極電源的串聯(lián)。GCT無中間區(qū)、無緩沖關斷的機理在于，強關斷時可使它的陰極注入瞬時停止，不參與以后過程。改變器件在雙極晶體管模式下關斷，前提是在P基N發(fā)射結外施加很高負電壓，使陽極電流很快由陰極轉移（或換向）至門極（門極換向晶閘管即由此得名），不活躍的N

26、PN管一停止注入，PNP管即因無基極電流容易關斷。GCT成為PNP管早于它承受全阻斷電壓的時間，而GTO卻是赟CR轉態(tài)下承受全阻斷電壓的，所以GCT可像IGBT無緩沖運行，無二次擊穿，拖尾電流雖大但時間很短。IGCT的關鍵技術（1）緩沖層在傳統(tǒng)GTO、二極管及IGBT等器件中，采用緩沖層形成穿通型（PT）結構，與非穿通型（NPT）結構相比，它在相同的阻斷電壓下可使器件的厚度降低約30%。同理，在GCT中采用緩沖層，即用較薄的硅片可達到相同的阻斷電壓，因而提高了器件的效率，降低了通態(tài)壓降和開關損耗，可得到較好的VT-Eoff。同時，采用緩沖層還使單片GCT與二極管的組合成為可能。（2）透明陽極為

27、了實現(xiàn)低的關斷損耗，需要對陽極晶體管的增益加以限制，因而要求陽極的厚度要薄，濃度要低。透明陽極是一個很薄的PN結，其發(fā)射效率與電流有關。因為電子穿透該陽極時就像陽極被短路一樣，因此稱為透明陽極。傳統(tǒng)的GTO采用陽極短路結構來達到相同目的。采用透明陽極來代替陽極短路，可使GCT的觸發(fā)電流比傳統(tǒng)無緩沖層的GTO降低一個數(shù)量級。GCT的結構與IGBT相比，因不含MOS結構而從根本上得以簡化。（3）逆導技術GCT大多制成逆導型，它可與優(yōu)化續(xù)流二極管FWD單片集成在同一芯片上。由于二極管和GCT享有同一個阻斷結，GCT的P基區(qū)與二極管的陽極相連，這樣在GCT門極和二極管陽極間形成電阻性通道。逆導GCT與

28、二極管隔離區(qū)中因為有PNP結構，其中總有一個PN結反偏，從而阻斷了GCT與二極管陽極間的電流流通。（4）極驅動技術IGCT觸發(fā)功率小，可以把觸發(fā)及狀態(tài)監(jiān)視電路和IGCT管芯做成一個整體，通過兩根光纖輸入觸發(fā)信號，輸出工作狀態(tài)信號。GCT與門極驅動器相距很近（間距15cm），該門極驅動器可以容易地裝人不同的裝置中，因此可認為該結構是一種通用形式。為了使IGCT的結構更加緊湊和堅固，用門9極驅動電路包圍GCT，并與GCT和冷卻裝置形成一個自然整體，稱為環(huán)繞型IGCT，其中包括GCT門極驅動電路所需的全部元件。這兩種形式都可使門極電路的電感進一步減小，并降低了門極驅動電路的元件數(shù)、熱耗散、電應力和內(nèi)

29、部熱應力，從而明顯降低了門極驅動電路的成本和失效率。所以說，IGCT在實現(xiàn)最低成本和功耗的前提下有最佳的性能。另外，IGCT開關過程一致性好，可以方便地實現(xiàn)串、并聯(lián)，進一步擴大功率范圍?？傊?，在采用緩沖層、透明陽極、逆導技術和門極驅動技術后，IGCT從GTO中脫穎而出，在所有中高壓領域及功率為0."5M100MVA的應用中代替了GTO。IGCT變頻器低壓IGBT和高壓IGBT在高電壓變頻器中都采用。IGBT具有快速的開關性能，但在高壓變頻中其導電損耗大，而且需要許多IGBT復雜地串聯(lián)在一起。對低壓IGBT來講，高壓IGBT串聯(lián)的數(shù)量相對要少一些，但導電損耗卻更高。元件總體數(shù)量增加使變頻