大功率半导体器件综述及介绍

自从50年代，硅晶闸管问世以后，50多年来，功率半导体器件的研究工作者为达到理想化的目标做出了不懈的努力，并以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，大功率晶体管和功率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，绝缘栅双极晶体管（IGBT）问世，它综合了功率MOSFET和双极型功率晶体管两者的功能。

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集成性能，MOS门控晶体管的改进，以及采用新型半导体材料制造新型的功率器件等。

瑞士ABB半导体公司是ABB集团的全资子公司，是世界上最著名的大功率半导体生产商之一。

西安赛晶电子科技责任有限公司是瑞士ABB 半导体公司在中国的首家代理，本公司在为客户提供先进的大功率半导体器件的同时，以西安电力电子技术研究所为其坚强的技术后盾，为客户提供较强的技术支持和服务。

一大功率半导体器件的最新发展
1．普通晶闸管(PCT)
PCT自问世以来，其功率容量已提高了近3000倍。

现在许多国家已能稳定生产Φ100mm，8000V/4000A的晶闸管。

日本现在已能稳定生产8000V/4000A和6000V/6000A的光触发晶闸管。

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等方面仍然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。

2、门极可关断晶闸管(GTO)
1982年日本日立公司首先研制成功2500V,1000A的GTO。

许多的生产商可提供额定开关功率36MVA(6000V,6000A)用的高压大电流GTO。

为了折衷它的导通、开通和关断特性，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使GTO关断期间dv/dt必须限制在
500-1000v/μs。

为此,人们不得不使用体积大、笨重、昂贵的吸收电路。

它的其他缺点是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感兴趣。

到目前为止，传统的GTO在高压（VBR>3300V）/大功率（0.5-20MVA）牵引、工业和电力逆变器中是应用得最为普遍得门控功率半导体器件。

目前，GTO的最高研究水平为6英寸、6000V/6000A以及9000V/10000A。

这种GTO采用了大直径均匀结技术和全压接式结构，通过少子寿命控制技术折衷了GTO导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。

由于GTO具有门极全控功能，它正在许多应用领域逐步代替PCT。

为了满足电力系统对1兆VA以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很可能开发10，000A,12,000V的GTO,并可能解决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应用方面再上一个台阶。

3、绝缘栅双极晶体管（IGBT）
IGBT的研制成功并投放市场，由于具有功率MOSFET和大功率晶体管（GTR）的双重优点，所以被认为是电力电子最具代表性的器件，甚至有人称：“21世纪是IGBT的时代”。

IGBT是一种电压驱动元件，因而门极驱动电路简单，它有较好的频率（开关）、保护和di/dt 、dv/dt特性，是目前100KHZ以下各种类型变频器逆变器应用最普遍使用的最多的元件。

IGBT最成功的应用是交流电动机调速和低压变频器逆变器，尤以变频器调速最具代表性。

目前市场销售的低压交流电动机变频器调速，不管是哪一个国家、公司的产品，功率器件几乎都是IGBT。

九十年代末，大功率高电压IGBT促进了高压交流电动机变频调速的发展，在中小功率等级，使得使用PCT和GTO的变频调速装置相形见绌。

目前，IGBT的最高水平为，单管：3000A/5000V；模块：1200A/3300V。

从不串不并的前提出发，IGBT在低于1000KW的功率范围使用。

４、集成门极换向晶闸管（IGCT）
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、存储时间短、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，因为在一个系统中，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6000A/us.至于开通特性，门极开通电流上升率(diG/dt )也非常重要，相对于说可以借助于低的门极驱动电路的电感比较容易实现。

由此可见，有效硅面积小，低损耗、快速开关、内部机械部件极少这些优点保证了IGCT可以较低的成本，紧凑、可靠、高效率地用于300KVA－10 MVA变流器，而不需要串联或并联。

如用串联，逆变器功率可扩展到100 MVA范围而用于电力设备。

想对于高压IGBT来讲，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的有源保护等，但是，高的导通损耗、低的硅有效面积利用率、损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点，局限了高频率IGBT模块在高频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。

5、MOS门控晶闸管
MOS门控晶闸管充分地利用晶闸管良好的通态特性及MOS管优良的开通和关断特性，可望具有优良的自关断动态特性和非常低的通态电压降，并易于得到高的耐压，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。

目前世界上虽有十几家公司在积极开展对MCT的研究，但是仍然处于研制阶段，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）;及发射极开关晶闸管（EST）。

其中EST可能是MOS门控晶闸管中最有希望的一种结构。

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，可能还需要相当长的一段时间。

6、采用新型半导体材料制造的新型功率器件
在采用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的，是碳化硅（SiC）功率器件，与其它半导体材料相比，具有下列优异的物理特性：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水平下，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、双极型硅器件低的多。

而且，SiC器件的开关时间可达10nS量级，并具有十分优越的安全工作区（FBSOA）。

SiC可以用来制造射频和微波功率器件，及各种高频整流器，MOSFETs,MOSFETs,和JFETs等。

SiC高频整流器已在Motorola开发成功，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整流器和其它SiC低频功率器件，用于工业和电力系统。