巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件的优点和优点

Power Electronic Device，又称功率半导体器件，是用于功率转换和功率控制电路中的大功率（通常是指几万到几千安培的电流和几百伏以上的电压）的电子器件可分为半控器件、全控器件和不可控器件，其中晶闸管为半控器件，在所有器件中耐压、耐电流能力最高；功率二极管是不可控器件，结构原理简单，工作可靠；又可分为电压驱动器件和电流驱动器件，其中GTO和GTR为电流驱动器件，IGBT和功率MOSFET为电压驱动器件。

1. MCT（MOS Controlled Thyristor）：MOS控制晶闸管

MCT是一种新型的MOS和双极器件。如图所示。 MCT是结合MOSFET的高阻抗、低驱动模式、功率和快速开关速度以及晶闸管的高电压和大电流特性，形成大功率、高电压、快速的全控器件。 MCT本质上是一个MOS门控晶闸管。它可以通过向栅极添加一个窄脉冲来打开或关闭，栅极是由无数个单元格并联形成的。与GTR、MOSFET、IGBT、GTO等器件相比，具有以下优势：

(1)高电压大电流容量，阻断电压达到3000V，峰值电流达到1000A，最大可关断电流密度6000kA/m2；

(2)通态压降小，损耗小，通态压降11V左右；

(3)极高的dv/dt和di/dt容差，dv/dt已达到20 kV/s，di/dt为2 kA/s；

(4)开关速度快，开关损耗小，开启时间约为200ns，1000V器件可在2s内关闭；

2.IGCT（集成栅极换向晶闸管）

IGCT是在晶闸管技术的基础上，结合IGBT和GTO技术开发的一种新型器件。适用于高压、大容量的变频系统。是一种用于大型电力电子成套设备的新型功率半导体器件。

IGCT将GTO芯片与反并联二极管和栅极驱动电路集成在一起，然后在外围以低电感的方式与其栅极驱动相连，结合了晶体管的稳定关断能力和低晶闸管的通态损耗。 晶闸管的性能在导通阶段发挥，晶体管的特性在截止阶段发挥。在不串并联的情况下，IGCT芯片的功率为0.二电平逆变器5~3MW，三电平逆变器1~6MW；如果反向二极管是分离的，它不与IGCT集成。同时，两电平逆变器功率可扩展至4/5 MW，三电平逆变器可扩展至9 MW。

目前，IGCT已经商业化。 ABB制造的IGCT产品的最高性能参数为4[1] 5 kV / 4 kA，最高开发水平为6 kV / 4 kA。 1998年日本三菱公司还研制出直径88毫米的GCT晶闸管。低损耗、快速切换等优点保证了它可以可靠、高效地用于300 kW~10 MW的变流器，无需串并联。

3. IEGT（注入增强型栅极晶体管）电子注入增强型栅极晶体管

IEGT是耐压4kV以上的IGBT系列电力电子器件。采用增强注入结构实现了低通态电压，为大容量电力电子器件的发展带来了飞跃。 IEGT作为MOS系列电力电子器件具有潜在的发展前景。它具有低损耗、高速运行、高耐压、智能有源栅极驱动等特点，以及采用沟槽结构和多芯片并联、自均流的特点。它有可能进一步扩大目前的产能。此外，还可以通过模组封装提供很多衍生产品，在大中容量变流器的应用中被寄予厚望。日本东芝开发的IECT利用电子注入增强效应结合了IGBT和GTO的优点：低饱和压降、安全工作区（吸收电路容量仅为GTO的十分之一左右）、低栅极驱动功率（比 GT O 低两个数量级）和更高的工作频率。该装置采用扁平压接电机引出结构，可靠性高，性能达到4.5 kV/1 500A水平。

4. IPEM（集成电力电子模块）：集成电力电子模块

IPEM 是一个集成了电力电子设备的许多组件的模块。它首先将半导体器件MOSFET、IGBT或MCT和二极管芯片封装在一起形成积木单元，然后将这些积木单元堆叠在开孔高导绝缘陶瓷基板上。铜基板、氧化铍陶瓷和散热器。在积木的上部，控制电路、栅极驱动、电流和温度传感器以及保护电路通过表面贴装集成在薄绝缘层上。 IPEM实现电力电子技术的智能化和模块化，大大降低电路布线电感、系统噪声和寄生振荡，提高系统效率和可靠性

5. PEBB（电力电气积木）：

PEBB（Power Electric Building Block）是在IPEM基础上开发的可处理电能集成的装置或模块。 PEBB不是特定的半导体器件，它是根据优化的电路结构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。上图显示了一个典型的 PEBB。虽然看起来很像功率半导体模块，但PEBB除了功率半导体器件外，还包括栅极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。 PEBB具有能量接口和通信接口。通过这两个接口，几个PEBB可以组成一个电力电子系统。这些系统可以像小型 DC-DC 转换器一样简单，也可以像大型分布式电源系统一样复杂。在一个系统中，PEBB 的数量可以从一个变化到任意数量。多个PEBB模块协同工作，完成电压转换、储能与转换、阴极阻抗匹配等系统级功能。 PEBB 最重要的特点是它的多功能性。

6。超大功率晶闸管

晶闸管 (SCR) 自问世以来，其功率容量增加了近 3000 倍。现在很多国家已经能够稳定生产8kV/4kA晶闸管。日本现已投产8kV/4kA和6kV/6kA光触发晶闸管（LTT）。美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。近十年来，由于自关断器件的快速发展并联电路电功率，晶闸管的应用领域不断缩小。但由于其高电压、大电流的特性，广泛应用于高压直流、静态无功补偿（SVC）、大功率直流，在超大功率和高压变频调速的应用中仍占有非常重要的地位预计未来几年，晶闸管将继续在高电压、大电流应用领域发展。

现在许多制造商提供额定开关功率为 36MVA (6kV/6kA) 的高压、大电流 GTO。传统 GTO 的典型关断增量仅为 3 到 5。由于 GTO 关断期间的不均匀性导致的“挤压效应”，因此有必要在关断期间将 dv/dt 限制在 500-1kV/μs。出于这个原因，人们不得不使用笨重且昂贵的吸收电路。此外，其栅极驱动电路较为复杂，需要较大的驱动功率。迄今为止，在高压（VBR > 3.3kV）、大功率（0.5～20 MVA）牵引、工业和功率逆变器中最常见的应用是门控功率半导体器件。目前GTO的最高研究水平为6in、6kV/6kA和9kV/10kA。为满足电力系统对1GVA以上三相逆变电源电压源的需求，近期很有可能开发出10kA/12kV GTO，并有可能解决并网技术30 多个串联的高压 GTO。电力系统应用的新高度。

7.脉冲电源闭合开关晶闸管

该器件特别适用于提供极高峰值功率（数 MW）、极短持续时间（数 ns）的放电闭合开关应用，例如：激光器、高强度照明、放电点火、电磁发射器和雷达调制器等。该装置可在数kV高压下快速开启，无需放电电极，使用寿命长，体积小，价格相对低廉。有望替代高压离子闸流管、点火管、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：栅-阴极周长很长，形成高度交织的结构，栅极面积占芯片总面积的90%，而阴极面积仅占10 %; - 电子寿命很长，栅阴极之间的水平距离小于一个扩散长度。以上两个结构特点保证了器件在开机时能够得到100%的阴极面积应用。此外，该器件的阴极电极使用较厚的金属层来承受瞬态峰值电流。

8.新型GTO器件集成门极换向晶闸管

目前有两种传统 GTO 的替代品：大功率 IGBT 模块，以及新的 GTO 衍生器件 - 集成栅极换向 IGCT 晶闸管。 IGCT晶闸管是一种新型的大功率器件。与传统的GTO晶闸管相比，它具有无需缓冲电路即可可靠关断、存储时间短、开通能力强、关断栅极电荷等诸多优良特性。应用系统的总功率损耗（包括所有器件和外围元件如阳极电抗器和缓冲电容器等）低。

9。大功率沟槽栅IGBT（Trench IGBT）模块

当今大功率 IGBT 模块中的 IGBT 单元通常使用沟槽栅 IGBT。与平面栅结构相比，沟槽栅结构的加工精度通常为1μm，大大提高了单元密度。由于栅极沟槽的存在，消除了平面栅极结构器件中相邻单元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，降低了导通电阻。为增加长基区的厚度和提高器件的耐压创造了条件。因此，近年来出现的高压大电流IGBT器件均采用这种结构。

1996年，日本三菱和日立成功开发出3.3kV/1.2kA IGBT模块，容量巨大。与传统GTO相比，它们的开关时间缩短了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IGBT。结采用类似于GTO的平板压接结构，在芯片两端采用更高效的散热方式。尤其重要的是避免了大电流IGBT模块内部大量的电极引出线，提高了可靠性，降低了引线电感，但缺点是降低了芯片面积的利用率。因此，平板压接结构的高压大电流IGBT模块也有望成为大功率高压变换器的首选功率器件。

10.电子注入增强型栅极晶体管IEGT（注入增强型栅极晶体管）

近年来，日本东芝公司开发了IEGT。和IGBT一样，它也有两种结构：平面栅极和沟槽栅极。前者产品即将问世，后者仍在开发中。 IEGT兼有IGBT和GTO的一些优点：饱和压降低、安全工作区域宽（吸力回路容量仅为GTO的1/10左右）、栅极驱动功率低（比GTO低2个数量级）和更高的运行频率。此外，该器件采用平板压接电极引出结构，有望具有更高的可靠性。

与IGBT相比，IEGT结构的主要特点是栅极长度Lg较长，靠近栅极侧的N-long基区横向电阻值较高，因此注入N-long的空穴从集电极到基区的电流并不像 IGBT 那样，通过 P 区顺利地横向流入发射极，但在该区域形成了空穴积累层。为了使该区域保持电中性，发射极必须通过 N 沟道将大量电子注入 N 长基极区域。这样，在N长基极区的发射极侧也形成了高浓度的载流子堆积，在N长基极区形成了类似于GTO中的载流子分布，从而更好地解决了高浓度载流子的问题。电流和高耐压。矛盾。目前该装置已达到4.5kV/1kA的水平。

11.MOS门控晶闸管

MOS门控晶闸管充分利用了晶闸管良好的导通特性，优良的开通和关断特性，并有望具有优良的自关断动态特性并联电路电功率，极低的导通状态压降和高压电阻，将成为未来电力装置和电力系统中具有发展前景的高压大功率器件。目前，全球有十几家公司正在积极开展MCT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）和射极开关晶闸管（EST）。其中，EST可能是MOS门控晶闸管中最有前途的结构。但是，这种装置要成为商业化的实用装置，达到替代GTO的水平，还需要相当长的时间。

12.砷化镓二极管

随着转换器的开关频率不断提高，对快恢复二极管的要求也随之提高。众所周知，砷化镓二极管的高频开关特性优于硅二极管，但由于工艺技术等原因，砷化镓二极管的耐压较低，实际应用受到限制。为满足高电压、高速、高效率和低EMI应用的需求，摩托罗拉公司研制成功了高压GaAs高频整流二极管。与硅快恢复二极管相比，这种新型二极管具有以下显着特点：反向漏电流随温度的变化小、开关损耗低、反向恢复特性好。

13.碳化硅和碳化硅 (SiC) 功率器件

在采用新型半导体材料制成的功率器件中，碳化硅（SiC）功率器件是最具发展前景的。其性能指标比砷化镓器件高一个数量级。与其他半导体材料相比，碳化硅具有以下优良的物理特性：高禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿强度、低介电常数和高热导率。上述优异的物理性能决定了碳化硅是高温、高频、大功率应用中极为理想的半导体材料。在相同的耐压电流条件下，SiC器件的漂移区电阻比硅低200倍。低得多。而且SiC器件的开关时间可以达到10nS量级，具有非常好的FBSOA。

SiC可用于制造射频和微波功率器件、各种高频整流器、MESFETS、MOSFETS和JFETS等。 SiC高频功率器件已在摩托罗拉研发成功，用于微波和射频器件。 GE 正在开发 SiC 功率器件和高温器件（包括用于喷气发动机的传感器）。西屋公司已经生产了工作频率为 26GHz 的超高频 MESFET。 ABB 正在开发用于工业和电力系统的大功率、高压 SiC 整流器和其他 SiC 低频功率器件。

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