电力电子器件的发展分析

电力电子技术课程论文

电力电子器件的发展分析

摘要：电力电子器件发展至今已有近60年的历史，本文简单介绍了电力电子器件的发展历程，然后对IGCT、 IGBT、MCT等新型电力电子器件的发展状况及其优缺点进行了分析，最后, 展望了电力电子器件的未来发展。

关键字：电力电子器件；IGCT；ICBT；MCT；

1、引言

电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中，电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“机车”。

电力电子器件的发展时间并不长，但是至今已经发展出多个种类的产品，其中最早为人们所应用的是普通晶闸管，普通晶闸管是由美国通用电气公司在1958年时研制并投产的，它为之后的电力电子器件发展奠定了基础，在1964年时，美国公司又成功研制了可关断的GT0；到了二十世纪七十年代，电力电子器件的研究有了又一成果——GTR系列产品，二十世纪八九十年代，以功率M0SFET和IGBT为代表的，集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，标志着传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

2、电力电子器件发展史

电力电子器件又称作开关器件，相当于信号电路中的A-D采样，称之为功率采样，器件的工作过程就是能量过渡过程，其可靠性决定了装置和系统的可靠性。根据可控程度以及构造特点等因素可以把电力电子器件分成四类：

(1)半控型器件——第一代电力电子器件

2O世纪5O年代，由美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电子技术的开端。到了2O世纪7O年代，已经派生出了许多半控型器件，这些电力电子器件的功率也越来越大，性能日渐完善，但是由于晶闸管的固有特性，大大限制了它的应用范围。

(2)全控型器件一一第二代电力电子器件

从2O世纪7O年代后期开始，可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR或BJT)及其模块相继实用化。此后，各种高频率的全控型器件不断问世，并得到迅速发展。这些器件主要有：电力场控晶体管(即功率MOSFET)、静电感应晶体管(SIT)、静电感应晶闸管(SITH)等，这些器件的产生和发展，已经形成了一个新型的全控电力电子器件的大家族。

(3)复合型器件——第三代电力电子器件

前两代电力电子器件中各种器件都有其本身的特点。近年来，又出现了兼有几种器件优点的复合器件。如：绝缘门极双极晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)。它实际上是MOSFET驱动双极型晶体管，兼有M0sFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两者的优点。它容量较大、开关速度快、易驱动，成为一种理想的电力电子器件。

(4)模块化器件——第四代电力电子器件

随着工艺水平的不断提高，可以将许多零散拼装的器件组合在一起并且大规模生产，进而导致第四代电力电子器件的诞生。以功率集成电路PIC(Power Intergrated Circuit)为代表，其不仅把主电路的器件，而且把驱动电路以及具有过压过流保护，甚至温度自动控制等作用的电路都集成在一起，形成一个整体。

3、电力电子器件的最新发展

现代电力电子器件仍然在向大功率、易驱动和高频化方向发展。其中，电力电子模块化是电力电子器件向高功率密度发展的重要一步。下面介绍几种新型电力电子器件：

3.1 IGCT

IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件[1]。它是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，它是结合了晶体管和晶闸管两种器件的优点，即晶体管的稳定的关断能力和晶闸管的低通态损耗的一种新型器件。IGCT在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈类似晶体管的特性。IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低的特点。此外,IGCT还像GT0一样，具有制造成本低和成品率高的特点，有极好的应用前景。

采用晶闸管技术的GT0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门极驱动单元，因而造成可靠性下降和价格较高的缺点。

3.2 IGBT

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种MOS栅控的双极晶体管。自1985年IGBT进入实际应用以来．IGBT已经成为功率晶导体器件的主流，在10—100kHz的中压、中电流应用范围占有十分重要的地位。IGBT及其模块(包括IPMs)已经涵盖了600 V—6．6 kV的电压和(I-3500)A的电流范围．应用IGBT 模块的100MW级的逆变器也已有商品问世。

IGBT常常封装成模块形式。一个IGBT模块实际包含很多的IGBT芯片，这些并联的lGBT裸芯片固定在同一块陶瓷衬底上以保证良好的绝缘和导热，这类模块可以很容易地安装在散热器上。但是，这种封装结构限制了lGBT模块只能采取单面冷却，由此，进一步发展了陶瓷封装的双面制冷模块．这样可以在中压大功率应用中提供与圆盘形密封、双面压接的晶闸管和GTO一样的可靠性。

IGBT的开通和关断可以通过门极驱动实现，它相对比较容易驱动且具有低的门极驱动功率[2]。IGBT的最大优点是它无需缓冲电路就能工作，并具有限制短路电流的能力。虽然高功率的IGBT模块具有一些优良的特性，例如：能实现di/dt和dv／dt的有源控制、易于实现短路电流的保护和有源保护等。但是，高的导通损耗、低的硅有效面积利用率、损坏后会造成开路等缺点局限了高功率IGBT模块在高功率变流器中的实际应用。

3.3 MCT

MCT是由功率MOSFET与普通晶闸管(Thyristor)组合而成的复合器件，它充分利用了Thyristor良好的通态特性和功率MOSFET高输入阻抗、快开关速度之优点，用MOSFET来控制Thyristor的开通和关断，使之具有优良的动态特性和通态特性，及较高的导通di/dt和阻断dv/dt能力。

最新提出的一种MCT结构是DC—EST(Dualchannel Emitter Switched Thyristor)[3]，它是在常规IGBT结构的基础上派生而来的，于是形成一个新的MOS控制晶闸管。该结构有较宽的FBSOA，并可较好的折衷通态压降与功耗之间的关系。但由于其中Thyristor电流会流过串联的MOSFET，使压降仍高于Thyristor的压降。为了确保FBSOA，进一步改善功耗与通态压降之的关系，提出的另一种新结构为DG-BRT，它既可按Thyristor模式工作，又可按IGBT模式工作。目前，采用与VLSI相容的设计规则已研制出2kV的DG—BRT器件191，其中采用了250A的栅极氧化层来减小P基区电阻，通态压降为2V，约为常规IGBT 的1／2。在现有的MCT结构中，以DG—BRT的特性为最佳。

3.4 IPEM——集成电力电子模块

IPEM(Intergrated Power Elactronics Modules)[4]已经不是传统意义上的电力电子器件的概念，它是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。

它的组成过程如下：首先将半导体器件MOSFET、IGBT或MCT与二极管的芯片封装在一起组成一个积木单元，然后将这些积木单元叠装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上，在它的下面依次是铜基板、氧化铍瓷片和散热片。在积木