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    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,从而已迅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,毫无疑问,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,电力电子技术仍一直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**。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,它对提高装置的各项技术指标和技术性能,却起着十分重要的作用。

      众所周知,一个理想的功率器件,应当具有下列理想的静态和动态特性: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dv/dt,以及具有全控功能。

      自从50年代,硅晶闸管问世以后,20多年来,功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈的努力,并已取得了使世人瞩目的成就。60年代后期,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1kHz以上。70年代中期,高功率晶体管和功率 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年代,绝缘栅门控双极型晶体管 (IGBT)问世,它综合了功率MOSFET和双极型功率晶体管两者的功能。它的迅速发展,又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-MOSFET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、MOS门控晶闸管以及采用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*新发展加以综述。

    一、 功率晶闸管的*新发展

    1.超大功率晶闸管

      晶闸管(SCR)自问世以来, 其功率容量提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产????mm、8kV /4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV / 4kA和6kV /6kA的光触发晶闸管(LTT)。美国和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)、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十分重要的地位。预计在今后若干年内,晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。

      现在,许多生产商可提供额定开关功率36MVA ( 6kV/ 6kA)用的高压大电流GTO。传统GTO的典型的关断增量仅为3~5。GTO关断期间的不均匀性引起的“挤流效应”使其在关断期间dv/dt必须限制在500~1kV/μs。为此,人们不得不使用体积大、昂贵的吸收电路。另外它的门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。但是,高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt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感到兴趣。到目前为止,在高压(VBR > 3.3kV )、大功率(0.5~20MVA)牵引、工业和电力逆变器中应用得*为普遍的是门控功率半导体器件。目前,GTO的*高研究水平为6in、6kV /6kA以及9kV/10kA。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功率电压源的需要,近期很有可能开发出10kA/12kV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

      该器件特别适用于传送极强的峰值功率(数MW)、极短的持续时间(数ns)的放电闭合开关应用场合,如:激光器、高强度照明、放电点火、电磁发射器和雷达调制器等。该器件能在数kV的高压下快速开通,不需要放电电极,具有很长的使用寿命,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用较厚的金属层,可承受瞬时峰值电流。

    3.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???、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,与常规GTO晶闸管相比,它具有许多优良的特性,例如,不用缓冲电路能实现可靠关断、存贮时间短、开通能力强、关断门极电荷少和应用系统(包括所有器件和外围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,优良的开通和关断能力是特别重要的方面,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的关断能力与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,GTO晶闸管则具有较高的关断能力。一个4.5kV/4kA的IGCT与一个4.5kV/4kA的GTO的硅片尺寸类似,可是它能在高于6kA的情况下不用缓冲电路加以关断,它的diGQ/dt高达6kA/μs。对于开通特性,门极开通电流上升率(diG/dt)也非常重要,可以借助于低的门极驱动电路的电感比较容易实现。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采取了一系列改进措施。图1是IGCT管饼和芯片的外形照片,芯片的基本图形和结构与常规GTO类似,但是它除了采用了阳极短路型的逆导GTO结构以外,主要是采用了特殊的环状门极,其引出端安排在器件的周边,特别是它的门、阴极之间的距离要比常规GTO的小得多,所以在门极加以负偏压实现关断时, 门、阴极间可立即形成耗尽层, 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, 从而使器件迅速关断。不言而喻, 关断IGCT时需要提供与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须具有十分小的引线电感。实际上,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与管饼集成在一起的门极驱动器。IGCT用多层薄板状的衬板与主门极驱动电路相接。门极驱电路则由衬板及许多并联的功率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1/100,表1是IGCT的电特性参数。

      目前,4.5kV (1.9kV/2.7kV 直流链)及 5.5kV (3.3kV直流链)、 275A

      有效硅面积小、低损耗、快速开关这些优点保证了IGCT能可靠、高效率地用于300kVA~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??榫哂幸恍┯帕嫉奶匦?,如能实现di/dt和dv/dt的有源控制、有源箝位、易于实现短路电流?;ず陀性幢;さ?。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可靠运行数据等缺点,限制了高功率IGBT??樵诟吖β实推当淞髌髦械氖导视τ?。因此在大功率MCT未问世以前,IGCT可望成为高功率高电压低频变流器的优选功率器件之一。

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    二、IGBT??榈?新发展

    1.高功率沟槽栅结构IGBT(Trench IGBT) ???/p>

      当今高功率IGBT??橹械腎GBT元胞通常多采用沟槽栅结构IGBT。与平面栅结构相比,沟槽栅结构通常采用1μm加工精度,从而大大提高了元胞密度。由于门极沟的存在,消除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,同时引入了一定的电子注入效应,使得导通电阻下降。为增加长基区厚度、提高器件耐压创造了条件。所以近几年来出现的高耐压大电流IGBT器件均采用这种结构。

      1996年日本三菱和日立公司分别研制成功3.3kV/1.2kA巨大容量的IGBT???。它们与常规的GTO相比,开关时间缩短了20%,栅极驱动功率仅为GTO的1/1000。1997年富士电机研制成功1kA/2.5kV平板型IGBT,由于集电、发射结采用了与GTO类似的平板压接结构,采用更高效的芯片两端散热方式。特别有意义的是,避免了大电流IGBT??槟诓看罅康牡缂鱿?,提高了可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??橐部赏晌吖β矢叩缪贡淞髌鞯挠叛」β势骷?。

    2.新型大功率IGBT???- 电子注入增强栅晶体管IEGT(Injection Enhanced GateTrangistor)

      近年来,日本东芝公司开发了IEGT,与IGBT一样,它也分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。IEGT兼有IGBT和GTO两者的某些优点:低的饱和压降,宽的安全工作区(吸收回路容量仅为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。加之该器件采用了平板压接式电极引出结构,可望有较高的可靠性。

      IEGT之所以有前述这些优良的特性,是由于它利用了“电子注入增强效应"。为了简要说明这一效应,将IGBT及IEGT单胞示意图示于图4。与IGBT相比,IEGT结构的主要特点是栅极长度Lg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,顺利地横向通过P区流入发射极,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,发射极必须通过N沟道向N长基区注入大量的电子。这样就使N长基区发射极侧也形成了高浓度载流子积累,在N长基区中形成与GTO中类似的载流子分布,从而较好地解决了大电流、高耐压的矛盾。目前该器件已达到4.5kV/1kA的水平。

    三、MOS门控晶闸管

      MOS门极控制晶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、非常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积极开展对MCT的研究。MOS门控晶闸管主要有三种结构:MOS场控晶闸管(MCT)、基极电阻控制晶闸管(BRT)及射极开关晶闸管(EST)。其中EST可能是MOS门控晶闸管中*有希望的一种结构。但是,这种器件要真正成为商业化的实用器件,达到取代GTO的水平,还需要相当长的一段时间。

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    四、采用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理想功率器件特性的追求,越来越多的功率器件研究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。研究表明,砷化镓FET和肖特基整流器可以获得十分优越的技术性能。Collinset al公司 用GaAs VFETs 制成了10MHz PWM变换器,其功率密度高达500W/in3。高压(600V)砷化镓高频整流二极管近年来也有所突破,SiC材料和功率器件的研究工作十分活跃。

    1.高压砷化镓高频整流二极管

      随着变换器开关频率的不断提高,对快恢复二极管的要求也随之提高。众所周知,砷化镓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原因,砷化镓二极管的耐压较低,实际应用受到局限。为适应高压、高速、高效率和低EMI应用需要,高压砷化镓高频整流二极管已在Motorola公司研制成功。与硅快恢复二极管相比,这种新型二极管的显著特点是:反向漏电流随温度变化小、开关损耗低、反向恢复特性好。两者比较结果示于表3。

    碳化硅与碳化硅 ( SiC ) 功率器件

      在用新型半导体材料制成的功率器件中,*有希望的是碳化硅 ( SiC )功率器件。它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级,碳化硅与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。上述这些优异的物理特性,决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和电流条件下,SiC器件的漂移区电阻要比硅低200倍,即使高耐压的SiC场效应管的导通压降,也比单极型、双极型硅器件的低得多。而且,SiC器件的开关时间可达10nS量级,并具有十分优越的 FBSOA。

      SiC可以用来制造射频和微波功率器件,各种高频整流器,MESFETS、MOSFETS和JFETS等。SiC高频功率器件已在Motorola公司研发成功,并应用于微波和射频装置。GE公司正在开发SiC功率器件和高温器件(包括用于喷气式引擎的传感器)。西屋公司已经制造出了在26GHz频率下工作的甚高频的MESFET。ABB公司正在研制高功率、高电压的SiC整流器和其他SiC低频功率器件,用于工业和电力系统。

      理论分析表明,SiC功率器件非常接近于理想的功率器件??梢栽ぜ?,各种SiC器件的研究与开发,必将成为功率器件研究领域的主要潮流之一。但是,SiC材料和功率器件的机理、理论、制造工艺均有大量问题需要解决,它们要真正给电力电子技术领域带来又一次**,估计至少还需要十几年的时间。

    五、结论

      经过人们的不懈努力,虽然硅双极型及场控型功率器件的研究已趋成熟,但是它们的性能仍在不断得到提高和改善,近年来出现的IGCT和IEGT可望比MCT更早地取代GTO。采用GaAs,碳化硅等新型半导体材料制成功率器件,实现人们对“理想器件”的追求,将是下个世纪电力电子器件发展的主要趋势。
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