新型电力电子器件.doc

中 原 工 学 院 2011-5-161新型电力电子器件概述新型电力电子器件概述机电 082 裴文星200800384208一一 MOSMOS 控制晶闸管控制晶闸管 MCTMCTMCT（MOS Controlled Thyristor）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MOSFETMCT 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 MCT 研究的人不是很多二二 静电感应晶体管静电感应晶体管 SITSIT静电感应晶体管 SIT（Static Induction Transistor） ，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 2011-5-1621952 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 1×10-15 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 厘中 原 工 学 院 新型电力电子器件3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 静电感应晶闸管静电感应晶闸管 SITHSITH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 SIT、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 2011-5-164静电感应晶闸管 SITH（Static Induction Thyristor）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（ Field Controlled Thyristor--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5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四四 集集成成门门极极换换流流晶晶闸闸管管 I IG GC CT T集成栅极换流晶闸管 IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)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. 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 在截止电压上新 型 电 力 电 子 器 件 2011-5-166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、开关快速等这些优点保证了它能可靠、高效率地用于300 kVA～10MVA 变流器，而不需要串联或并联在串联时，逆变器功率可扩展到100MVA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。