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新型电力电子器件介绍
制作人：谢畅 郭少雄
2011.11.30
电力电子器件的回顾
• • • 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，其可靠性决定了系统的可靠性。根 据可控程度可以把电力电子器件分成两类： 半控型器件——第一代电力电子器件 上个世纪50年代，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。此后，晶闸管(SCR)的派生器件越来越多，到了70年代，已 经派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器 件，功率越来越大，性能日益完善。但是由于晶闸管本身工作频率较低（一 般低于400Hz），大大限制了它的应用。此外，关断这些器件，需要强迫换 相电路，使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。目前，国内生产的 电力电子器件仍以晶闸管为主。 全控型器件——第二代电力电子器件 随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控型器件发 展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。由于全控型器件可以控制开通 和关断，大大提高了开关控制的灵活性。自70年代后期以来，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)、绝缘栅极双极晶体管(IGT或IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电 感应晶闸管(SITH)等。
MCT：MOS控制晶闸管
• MCT(MOS-Controlled Thyristor)是一种新型MOS与双 极复合型器件，如图2所示。它 采用集成电路工艺，在普通晶 闸管结构中制作大量MOS器件， 通过MOS器件的通断来控制晶 闸管的导通与关断。MCT既具 有晶闸管良好的关断和导通特 性，又具备MOS场效应管输入 阻抗高、驱动功率低和开关速 度快的优点，克服了晶闸管速 度慢、不能自关断和高压MOS 场效应管导通压降大的不足。 所以MCT被认为是很有发展前 途的新型功率器件。MCT器件 的最大可关断电流已达到300A， 最高阻断电压为3KV，可关断 电流密度为325A/cm2，且已试 制出由12个MCT并联组成的模 块。
在应用方面，美国西屋公司采用 MCT开发的10kW高频串并联谐振 DC-DC变流器，功率密度已达到 6.1W/cm3。美国正计划采用MCT组 成功率变流设备，建设高达500KV的 高压直流输电HVDC设备。国内的东 南大学采用SDB键合特殊工艺在实 验室制成了100mA/100V MCT样品； 西安电力电子技术研究所利用国外进 口厚外延硅片也试制出了9A/300V MCT 样品。
IGCT：集成门极换流晶闸管
• 在国外，瑞典的ABB公司已经推出比较成熟的高压大容量IGCT产品。 在国内，由于价格等因素，目前只有包括清华大学在内的少数几家科 研机构在自己开发的电力电子装置中应用了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。IGCT使变流装置在功率、 可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进 展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。IGCT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，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗 的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。 IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损 耗低等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。 • 采用晶闸管技术的GTO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，价格较高， 也不利于串联。但是，在大功率MCT技术尚未成熟以前，IGCT已经 成为高压大功率低频交流器的优选方案。
IGBT：绝缘栅双极晶体管
• IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种N沟道增强型 场控(电压)复合器件，如图1所 wenku.baidu.com。它属于少子器件类，兼有 功率MOSFET和双极性器件的 优点：输入阻抗高、开关速度 快、安全工作区宽、饱和压降 低（甚至接近GTR的饱和压 降）、耐压高、电流大。IGBT 有望用于直流电压为1500V的 高压变流系统中。
正式商用的高压大电流IGBT器件至今尚未出现，其电压 和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术 发展的需求，特别是在高压领域的许多应用中，要求器 件的电压等级达到10KV以上。目前只能通过IGBT高压串 联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB 公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的 EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获 得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。 目前，已研制出的高功率沟槽栅结构IGBT(Trench IGBT) 是高耐压大电流IGBT器件通常采用的结构，它避免了模 块内部大量的电极引线，减小了引线电感，提高了可靠 性。其缺点是芯片面积利用率下降。这种平板压接结构 的高压大电流IGBT模块将在高压、大功率变流器中获得 广泛应用。
IEGT：电子注入增强栅晶体管
• IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是耐压达4KV以上的 IGBT系列电力电子器件，通过 采取增强注入的结构实现了低 通态电压，使大容量电力电子 器件取得了飞跃性的发展。 IEGT具有作为MOS系列电力电 子器件的潜在发展前景，具有 低损耗、高速动作、高耐压、 有源栅驱动智能化等特点，以 及采用沟槽结构和多芯片并联 而自均流的特性，使其在进一 步扩大电流容量方面颇具潜力。 另外，通过模块封装方式还可 提供众多派生产品，在大、中 容量变换器应用中被寄予厚望。
• •
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。电力电子模块化是其向高功率密度发展的 重要一步。当前电力电子器件的主要发展成果如下：
IGBT：绝缘栅双极晶体管 MCT：MOS控制晶闸管 IGCT：集成门极换流晶闸管 IEGT：电子注入增强栅晶体管 IPEM：集成电力电子模块 PEBB：电力电子积木
制作人：谢畅 郭少雄
2011.11.30
电力电子器件的回顾
• • • 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，其可靠性决定了系统的可靠性。根 据可控程度可以把电力电子器件分成两类： 半控型器件——第一代电力电子器件 上个世纪50年代，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。此后，晶闸管(SCR)的派生器件越来越多，到了70年代，已 经派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器 件，功率越来越大，性能日益完善。但是由于晶闸管本身工作频率较低（一 般低于400Hz），大大限制了它的应用。此外，关断这些器件，需要强迫换 相电路，使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。目前，国内生产的 电力电子器件仍以晶闸管为主。 全控型器件——第二代电力电子器件 随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控型器件发 展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。由于全控型器件可以控制开通 和关断，大大提高了开关控制的灵活性。自70年代后期以来，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)、绝缘栅极双极晶体管(IGT或IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电 感应晶闸管(SITH)等。
MCT：MOS控制晶闸管
• MCT(MOS-Controlled Thyristor)是一种新型MOS与双 极复合型器件，如图2所示。它 采用集成电路工艺，在普通晶 闸管结构中制作大量MOS器件， 通过MOS器件的通断来控制晶 闸管的导通与关断。MCT既具 有晶闸管良好的关断和导通特 性，又具备MOS场效应管输入 阻抗高、驱动功率低和开关速 度快的优点，克服了晶闸管速 度慢、不能自关断和高压MOS 场效应管导通压降大的不足。 所以MCT被认为是很有发展前 途的新型功率器件。MCT器件 的最大可关断电流已达到300A， 最高阻断电压为3KV，可关断 电流密度为325A/cm2，且已试 制出由12个MCT并联组成的模 块。
在应用方面，美国西屋公司采用 MCT开发的10kW高频串并联谐振 DC-DC变流器，功率密度已达到 6.1W/cm3。美国正计划采用MCT组 成功率变流设备，建设高达500KV的 高压直流输电HVDC设备。国内的东 南大学采用SDB键合特殊工艺在实 验室制成了100mA/100V MCT样品； 西安电力电子技术研究所利用国外进 口厚外延硅片也试制出了9A/300V MCT 样品。
IGCT：集成门极换流晶闸管
• 在国外，瑞典的ABB公司已经推出比较成熟的高压大容量IGCT产品。 在国内，由于价格等因素，目前只有包括清华大学在内的少数几家科 研机构在自己开发的电力电子装置中应用了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。IGCT使变流装置在功率、 可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进 展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。IGCT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，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗 的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。 IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损 耗低等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。 • 采用晶闸管技术的GTO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，价格较高， 也不利于串联。但是，在大功率MCT技术尚未成熟以前，IGCT已经 成为高压大功率低频交流器的优选方案。
IGBT：绝缘栅双极晶体管
• IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种N沟道增强型 场控(电压)复合器件，如图1所 wenku.baidu.com。它属于少子器件类，兼有 功率MOSFET和双极性器件的 优点：输入阻抗高、开关速度 快、安全工作区宽、饱和压降 低（甚至接近GTR的饱和压 降）、耐压高、电流大。IGBT 有望用于直流电压为1500V的 高压变流系统中。
正式商用的高压大电流IGBT器件至今尚未出现，其电压 和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术 发展的需求，特别是在高压领域的许多应用中，要求器 件的电压等级达到10KV以上。目前只能通过IGBT高压串 联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB 公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的 EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获 得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。 目前，已研制出的高功率沟槽栅结构IGBT(Trench IGBT) 是高耐压大电流IGBT器件通常采用的结构，它避免了模 块内部大量的电极引线，减小了引线电感，提高了可靠 性。其缺点是芯片面积利用率下降。这种平板压接结构 的高压大电流IGBT模块将在高压、大功率变流器中获得 广泛应用。
IEGT：电子注入增强栅晶体管
• IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是耐压达4KV以上的 IGBT系列电力电子器件，通过 采取增强注入的结构实现了低 通态电压，使大容量电力电子 器件取得了飞跃性的发展。 IEGT具有作为MOS系列电力电 子器件的潜在发展前景，具有 低损耗、高速动作、高耐压、 有源栅驱动智能化等特点，以 及采用沟槽结构和多芯片并联 而自均流的特性，使其在进一 步扩大电流容量方面颇具潜力。 另外，通过模块封装方式还可 提供众多派生产品，在大、中 容量变换器应用中被寄予厚望。
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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。电力电子模块化是其向高功率密度发展的 重要一步。当前电力电子器件的主要发展成果如下：
IGBT：绝缘栅双极晶体管 MCT：MOS控制晶闸管 IGCT：集成门极换流晶闸管 IEGT：电子注入增强栅晶体管 IPEM：集成电力电子模块 PEBB：电力电子积木