大功率电力电子器件前沿技术分析贾海叶 山西吕梁供电摘要：本文对大功率电力电子器件技术进行了简述，阐述了大功率电力电子器件发展热点，并对其前沿技术和未来的发展方向进行了分析。关键词：大功率、电子电力器件，前沿技术1 引言随着半导体制造工艺的进步和对电力电子设备容量增大的需求,对电力电子器件的性能和功率要求也越来越高,由此产生了耐高压、大功率的电力电子器件。近来,伴随着器件的大功率化,新的HVIGBT(HighVoltage Insulated Gate BipolarTran-sistor Module)高压绝缘栅双极型半导体模块、HVIPM(High Voltage Intelligent Power Module)高压智能电力模块的MOS型电力电子器件的开发、GCT(Gate Commutated Turn-off Thyristor)闸门换相关断可控硅器件的开发,都有了较大的进展。以新一代器件问世为标志,必然在电力电子设备的开发方面,向着小型化、高效率化、高速控制化的目标飞跃前进。1.1 大功率电力电子器件的分类大功率电力电子器件主要分为:二极管、可控硅、光触发可控硅、GTO(Gate Turn-off Thyristor)闸门关断可控硅、GCT、HVIGBT及HVIPM器件。从1960年开发初期的1英寸硅片开始至今,发展到直径为6英寸硅片的耐高压、大功率电力电子器件系列化产品,其容量和当初相比,提高了100多倍。而且在使用上减少了串联或并联元件的数量,提高了可靠性,减小了设备的体积。按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度分类，大功率电力电子器件分为： 1.半控型器件，例如晶闸管； 2.全控型器件，例如GTO（门极可关断晶闸管）、GTR（电力晶体管），MOSFET（电力场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）； 3.不可控器件，例如电力二极管； 按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分类： 1.电压驱动型器件，例如IGBT、MOSFET、SITH（静电感应晶闸管）； 2.电流驱动型器件，例如晶闸管、GTO、GTR； 根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的有效信号波形分类： 1.脉冲触发型，例如晶闸管、GTO； 2.电子控制型，例如GTR、MOSFET、IGBT； 按照电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分类： 1.单极型器件，例如电力二极管、晶闸管、GTO、GTR； 2.双极型器件，例如MOSFET、IGBT； 3.复合型器件，例如MCT（MOS控制晶闸管）。 1.2 大功率电力电子器件的特点电力二极管：结构和原理简单，工作可靠。 晶闸管：承受电压和电流容量在所有器件中最高。 IGBT：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点：开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTO。GTR：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题。 GTO：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺点：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低。 MOSFET：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题；缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。2 大功率电力电子器件技术发展热点2HVIGBT、HVIPM器件HVIGBT及HVIPM器件在耐高压、大功率电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）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35。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5001kV/s。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（0.520 MVA）牵引、工业和电力逆变器中应用得最为普遍的是门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为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，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/s。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 Itgqm3120A的IGCT已研制成功。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300 kVA10MVA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 的有源控制、有源箝位、易于实现短路电流保护和有源保护等。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可靠运行数据等缺点，限制了高功率IGBT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IGBT(Trench IGBT) 模块当今高功率IGBT模块中的IGBT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1m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