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

　　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蕞高。 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

　　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 上述功率器件的蕞新发展加以综述。

　　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（0.5～20 MVA） 牵引、工业和电力逆变器中应用得蕞为普遍的是门控功率半导体器 件。目前，GTO 的蕞高研究水平为 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。

　　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/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。

　　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 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。

　　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 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 模块。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 模块内部大量的电极引出线，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 模块也可望成为高功率高电压变流器的优选功率器 件。

　　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。

　　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 门控晶闸管中蕞有希望的一种结构。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。

　　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。Collins et 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。

　　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，蕞有希望的是碳化硅 ( 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。可以 预见，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革 命，估计至少还需要十几年的时间。

　　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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