GTRIGBTMOSFETGTO.docx

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1、电力电子器件的发展（GTR-IGBT-MOSFET-GTO）现代的电力电子技术无论对改造传统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等），还是对新建高技术产业（航天、激光、通信、机器人等）至关重要，从而已快速发展成为一门独立学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门，亳无疑问，它将成为本世纪乃至下世纪重要关键技术之一。近几年西方发达的国家，尽管总体经济的增长速度较慢，电力电子技术仍始终保持着每年百分之十几的高速增长。从历史上看，每一代新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。以功率器件为核心的现代电力电子装置，在整台装置中通常不超过总价值的20$30%,但是，它对提高

2、装置的各项技术指标和技术性能，却起着特别重要的作用。众所周知，一个志向的功率器件，应当具有下列志向的静态和动态特性:在截止状态时能承受高电压；在导通状态时，具有大电流和很低的压降；在开关转换时，具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和dvdt,以及具有全控功能。臼从50年头，硅晶闸管问世以后，20多年来，功率半导体器件的探讨工作者为达到上述志向目标做出了不懈的努力，并已取得了使世人瞩目的成就。60年头后期，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IkHZ以上。70年头中期,高功率品体管和功率MOSFET问世，功率器件实现了场控功能，打开了高频应用的大门。80年头,绝缘栅

3、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。它的快速发展，乂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ToSFET门控晶闸管的探讨。因此，当前功率器件探讨工作的重点主要集中在探讨现有功率器件的性能改进、MOS门控晶闸管以及采纳新型半导体材料制造新型的功率器件等。下面就近几年来上述功率器件的最新发展加以综述。一、功率晶闸管的最新发展1 .超大功率晶闸管晶闸管(SCR)F1.问世以来，其功率容量提高了近3000倍。现在很多国家已能稳定生产?8kV4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV/4k和6kV6kA的光触发晶闸管(1.TT)。美国和

4、欧洲主要生产电触发晶闸管。近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC,静止无功补偿(SVC)s大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍占有特别重要的地位。预料在今后若干年内，品闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到接着发展。现在，很多生产商可供应额定开关功率36M(6kV6kA)用的高压大电流GTOo传统GTO的典型的关断增量仅为35。GTO关断期间的不匀称性引起的“挤流效应”使其在关断期间dv/dt必需限制在500-1.kVso为此，人们不得不运用体积大、昂贵的汲取电路。另外它的门极驱动电路较困难和要求较大的驱动功率。

5、但是，高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/d1.耐量和有可能在内部集成一个反并二极管，这些突出的优点仍使人们对GTO感到爱好。到目前为止,在高压(VBR3.3kV)、大功率(0.520MVA)牵引、工业和电力逆变器中应用得最为普遍的是U捽功率半导体器件。目前，GTo的最高探讨水平为6in、6kV6kA以及9kV10kA.为了满意电力系统对1GV以上的三相逆变功率电压源的须要，近期很有可能开发出10kA12kV的GTO,并有可能解决30多个高压GTO串联的技术，可望使电力电子技术在电力系统中的应用方面再上一个台阶。2 .脉冲功率闭合开关晶闸管该器件特殊适用于传送极强的峰值功率(数

6、MW)、极短的持续时间(数ns)的放电闭合开关应用场合，如I：激光器、高强度照明、放电点火、电磁放射器和雷达调制器等。该器件能在数kV的高压下快速开通，不须要放电电极，具有很长的运用寿命，体积小、价格比较低，可望取代目前尚在应用的高压离子闸流管、引燃管、火花间隙开关或真空开关等。该器件独特的结构和工艺特点是：门-阴极周界很长并形成高度交织的结构，门极面积占芯片总面积的90%,而阴极面积仅占10%：基区空穴-电子寿命很长，门-阴极之间的水平距离小于一个扩散长度。上述两个结构特点确保了该器件在开通瞬间，阴极面积能得到100%的应用。此外，该器件的阴极电极采纳较厚的金属层，可承受瞬时峰值电流。3 .

7、新型GTO器件-集成门极换流晶闸管当前已有两种常规GTO的替代品：高功率的IGBT模块、新型GTO派生器件-集成门极换流IGCT晶闸管。IGCT晶闸管是一种新型的大功率器件，及常规GTO品闸管相比，它具有很多优良的特性，例如，不用缓冲电路能实现牢莫关断、存贮时间短、开通实力强、关断门极电荷少和应用系统（包括全部器件和外国部件如阳极电抗器和缓冲电容器等）总的功率损耗低等。在上述这些特性中，优良的开通和关断实力是特殊币:要的方面，因为在实际应用中,GTO的应用条件主要是受到这些开关特性的局限。众所周知，GTO的关断实力及其门极驱动电路的性能关系极大，当门极关断电流的上升率（diGQ/dt）较高时,

8、GTo晶闸管则具有较高的关断实力。一个4.5kV4kA的IGCT及一个4.5kV4k的GTO的硅片尺寸类似，可是它能在高于6kA的状况下不用缓冲电路加以关断，它的diGQ/dt高达6kAus对于开通特性，门极开通电流上升率（diGdt）也特别重要，可以借助于低的门极驱动电路的电感比较简单实现。IGcT之所以具有上述这些优良特性，是因为在器件结构上对GTO实行了一系列改进措施。图1是IGCT管饼和芯片的外形照片，芯片的基本图形和结构及常规GTO类似，但是它除了采纳了阳极短路型的逆导GTO结构以外，主要是采纳了特殊的环状门极，其引出端支配在器件的周边，特殊是它的门、阴极之间的距离要比常规GTo的小

9、得多，所以在门极加以负偏压实现关断时，门、阴极间可马上形成耗尽层，如图2所示。这时，从阳极注入基区的主电流，则在关断瞬间全部流入门极，关断增益为1,从而使器件快速关断。不言而喻，关断IGCT时须要供应及主电流相等的瞬时关断电流，这就要求包括IGCT门阴极在内的门极驱动回路必需具有特别小的引线电感。事实上，它的门极和阴极之间的电感仅为常规GTO的1/10。IGCT的另一个特点是有一个极低的引线电感及管饼集成在一起的门极驱动器。IGCT用多层薄板状的衬板及主门极驱动电路相接。门极驱电路则由衬板及很多并联的功率MOS管和放电电容器组成。包括IGCT及其门极驱动电路在内的总引线电感量可以减小到GTO的

10、1/100,表1是IGCT的电特性参数。目前,4.5kV（1.9kV2.7kV直流链）及5.5kV（3.3kV直流链）、275有效硅面积小、低损耗、快速开关这些优点保证了IGCT能牢靠、高效率地用于30OkVAIOMvA变流搭，而不须要串联或并联。在串联时，逆变器功率可扩展到100VVA。虽然高功率的IGBT模块具有一些优良的特性，如能实现di/dt和dv/dt的有源限制、有源箝位、易于实现短路电流爱护和有源爱护等。但因存在着导通高损耗、硅有效面积低利用率、损坏后造成开路以及无长期牢靠运行数据等缺点，限制了高功率TGBT模块在高功率低频变流器中的实际应用。因此在大功率MCT未问世以前，IGCT

11、可望成为高功率高电压低频变流器的优选功率器件之一。二、IGBT模块的最新发展1 .高功率沟槽栅结构CBT（TrcnhIGBT）模块当今高功率IGBT模块中的IGBT元胞通常多采纳沟槽栅结构IGBTo及平面栅结构相比，沟槽栅结构通常采纳IUm加工精度，从而大大提高了元胞密度。由于门极沟的存在，消退了平面栅结构器件中存在的相邻元胞之间形成的结型场效应晶体管效应，同时引入了肯定的电子注入效应，使得导通电阻下降。为增加长基区厚度、提高器件耐压创建了条件。所以近几年来出现的高耐压大电流IGBT器件均采纳这种结构。1996年口木三菱和立公司分别研制胜利3.3kV1.,2k巨大容量的IGBT模块。它们及常规

12、的GTO相比，开关时间缩短了20%,栅极驱动功率仅为GTo的1.1000o2019年富士电机研制胜利1.kA2.5kV平板型IGBT,由于集电、放射结采纳了及GTO类似的F板压接结构，采纳更高效的芯片两端散热方式。特殊有意义的是，避开了大电流IGBT模块内部大量的电极引出线，提高了牢靠性和减小了引线电感,缺点是芯片面积利用率下降。所以这种平板压接结构的高压大电流IGBT模块也可望成为高功率高电压变流器的优选功率器件。2 .新型大功率IGBT模块电子注入增加楣晶体管IEGT（InjeCtionEnhancedGatcTrangistor）近年来，口木东芝公司开发了IEGT,及IGBT一样，它也分

13、平面栅和沟槽栅两种结构，前者的产品即将问世，后者尚在研制中。H-GT兼有IGBT和GTO两者的某些优点：低的饱和压降，宽的平安工作区（汲取回路容量仅为GTo的1/10左右）,低的栅极驱动功率（比GTo低2个数量级)和较高的工作频率。加之该器件采纳了平板压接式电极引出结构，可望有较高的牢竟性。IEGT之所以有前述这些优良的特性，是由于它利用了“电子注入增加效应。为了简要说明这一效应，将IGBT及IEGT单胞示意图示于图4。及IGBT相比，IEGT结构的主要特点是栅极长度1.g较长，N长基区近栅极侧的横向电阻值较高，因此从集电极注入N长基区的空穴，不像在IGBT中那样，顺当地横向通过P区流入放射极

14、，而是在该区域形成一层空穴积累层。为了保持该区域的电中性，放射极必需通过N沟道向N长基区注入大量的电子。这样就使N长基区放射极侧也形成了高浓度载流子积累，在N长基区中形成及GTO中类似的载流子分布，从而较好地解决了大电流、高耐压的冲突。目前该器件已达到4.5kV1.k的水平。三、MOS门控晶闸管MOS门极限制品闸管充分地利用晶闸管良好的通态特性、优良的开通和关断特性，可望具有优良的自关断动态特性、特别低的通态电压降和耐高压，成为将来在电力装置和电力系统中有发展前途的高压大功率器件。目前世界上有十几家公司在主动开展对MCT的探讨。MOS门控品闸管主要有三种结构：MOS场控晶闸管(MCT)、基极电

15、网限制品闸管(BRT)及射极开关品闸管(EST)O其中EST可能是MOS门控晶闸管中最有希望的,种结构。但是，这种器件要真正成为商业化的好用器件，达到取代GTO的水平，还须要相当长的一段时间。四、采纳新型半导体材料制造的新型功率器件至今，硅材料功率器件已发展得相当成熟。为了进一步实现人们对志向功率器件特性的追求，越来越多的功率器件探讨工作转向了对用新型半导体材料制作新型半导体功率器件的探求。探讨表明，碎化像EET和肖特基整流器可以获得特别优越的技术性能。Co1.1.inseta1.公司用GaASVFETs制成了IOMHzPWM变换器,其功率密度高达500Win3o高压(600V)神化钱高频整流

16、二极管近年来也有所突破，SiC材料和功率器件的探讨工作特别活跃。1.高压即化镇高频整流二极管随着变换器开关频率的不断提高，对快复原二极管的要求也随之提高.众所周知,珅化镇二极管具有比硅二极管优越的高频开关特性,但是由于工艺技术等方面的缘由，碎化铁二极管的耐压较低，实际应用受到局限。为适应高压、高速、高效率和低EM1.应用须要,高压神化钱高频整流二极管已在Motor。Ia公司研制胜利。及硅快复原二极管相比，这种新型二极管的显著特点是：反向漏电流随温度改变小、开关损耗低、反向其原特性好。两者比较结果示于表3。碳化硅及碳化硅(SiC)功率器件在用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅(SiC)功率器件。它的性能指标比部化镀器件还要高一个数量级，蹂化硅及其他半导体材料相比，具有下列优异的物理特点：高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率.