电力电子半导体器件
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高 等 电 力 电 子 技 术
Advanced Power Electronics
高
等
电
力
电
子
技
术
第一章 电力电子半导体器件
基本内容
1
电力电子器件发展概述 功率MOSFET 绝缘栅双极型晶体管
2
3 4 5 6
集成门极换向晶闸管的结构与工作原理
电力电子器件新材料 电力电子集成技术
高
等
电
力
电
子
技
术
1.1 电力电子器件发展概述
高
等
电
力
电
子
技
术
1.2 功率MOSFET
功率MOSFET出现在70年代的晚期，它的出现主要来源于70年代中 期MOS技术的发展，不同于传统的双极性开关管（BJT），MOSFET属 于场效应管器件，是一种单极性电压控制型器件。在导通状态下，仅有 多数载流子工作，所以与电流控制型器件相比，所需的驱动功率非常小， 并且多数载流子导电的功率MOSFET显著减少了开关时间，因而很容易 达到100KHZ以上的开关频率，功率MOSFET是低压（＜200V）范围内 最好的开关器件，但在高压应用方面，其最大的特点是导通电阻随耐压 的2.5次方急剧上升，给高压功率MOSFET的应用带来很大困难。所以对 于MOSFET的技术优化基本都从这一点出发。
100K
Thyristor
GTO， IGCT
机器人
1000V/100A (SanRex)
Power MOSFET
10K
冶炼， 电解等 晶闸管模块
IGBT和 IGBT模块
汽车
200V/500A (Semikron) 200
1K
MOSFET
开关电源
100
TRIAC 洗衣机 空调 电冰箱
微波炉 高频MOSFET
高
等
电
力
电
子
Байду номын сангаас
技
术
1.1 电力电子器件发展概述
6500V/600A (Eupec) 12000 104 7500 6000 5500 3300 2500 1700 103 12000V/1500A (Mitsubishi) 7500V/1650A (Eupec) 6500V/2650A (ABB) GTO 5500V/2300A (ABB) 6000V/6000A GTO (Mitsubishi) 6000V/6000A IGCT (Mitsubishi IGCT announced) 4800V/5000A (Westcode) 4500V/4000A (Mitsubishi)
10M 功率 100M 直流输电 电力汽车 不间断电源 1M 电动控制 目前应用范围 未来应用范围
SCR IGBT(market) IGCT(market) 3300V/1200A Module(Eupec) 2500V/1800A Press-Pack(Fuji) 1700V/2400A Module(Eupec)
换流晶闸管（IGCT）和对称门极换流晶闸管（SGCT）。
晶闸管的发展方向同样是增加单管的功率容量，同时增加对器件开 关的控制度，这一点在IGCT和SGCT以及光触发晶闸管的大量使用中可 以很明显的体现。 IGCT和SGCT是将GTO芯片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，结合了晶体管和晶闸管两种器件的 优点。传统GTO器件很难关断，必须在门极加一个约为器件额定电流1/3 的驱动电流，并在1内将阴极所有的电流抽出，才能确保其快速关断。而 IGCT关断则是一个很快的瞬态过程，器件完全按晶体管模式关断，从而 保证了完全受控的均匀关断，广泛应用于大功率电流型变流器以及变频 器上。
自从1957年底第一代晶闸管SCR面世以来，电力电子半导体器件发 展迅猛。直到1970年，普通晶闸管开始在工业应用中大量用于电力控制。 1970年后，各种类型的电力电子半导体器件相继出现并逐步商业化。其 中，碳化硅器件正在迅速发展中，而绝大部分实际工业应用的器件都是
用硅材料制作的。 这些器件大致可以分为三类：①功率二极管，②晶闸管，和③晶体 管[1]。随着电力电子器件的应用范围扩大和应用场合要求的提升，对器 件的发展要求也越来越提高，包括①更高的功率容量，②更低的开关损 耗，③更高的开关频率，④更紧凑的封装体积，⑤集成以及模块化设计。 大多在电力电子器件上应用的新技术都是围绕这几点发展方向来展开的。
高频供电电源
102 60V/1000A (Semikron) 102 200 500 103 2400 4000 6000 104
10 10
100
1K
10K
100K
1M
运行频率(Hz)
电力电子半导体器件应用功率等级分布
电力电子半导体器件应用频率分布
高
等
电
力
电
子
技
术
1.1.2 晶闸管
常规应用的晶闸管大致有以下几类：①强迫换流晶闸管，②门关断 晶闸管，③反相导通晶闸管（RCT），④静态导通晶闸管(SITH)，⑤光 触发硅控整流器 (LASCR)， ⑥MOS关断（MTO）晶闸管，⑦集成门极
高
等
电
力
电
子
技
术
1.2.1 沟槽型MOSFET
沟槽技术最早见于功率放大器和电能转换装置的功率MOSFET，其 在传统的MOS器件基础上做出了三项重大改革：1. 垂直的安装漏极，实 现了垂直导电，将在传统MOS结构中与源极和栅极同时水平安装在硅片 顶部的漏极改装在硅片的底面上，这样充分利用了硅片面积，基本上实 现了垂直传导漏源电流，消除了导通电阻中的JFET区阻抗部分，减小了 RCH部分,为获得大电流容量提供了前提条件。2. 模仿GTR设置了高电阻 率的n-型漂移区，不仅提高了器件的耐压容量，而且降低了结电容，并 使沟道长度稳定。3. 采用双重扩散技术代替光刻工艺控制沟道长度，可 以实现精确的短沟道，降低沟道电阻值，提高工作速度，并使输出特性 具有良好的线性。
高
等
电
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电
子
技
术
1.1.3 电力晶体管
电力晶体管有四种类型：①BJT，②电力MOSFET，③IGBT和④ SIT。其中IGBT和电力MOSFET是最为广泛应用的电力电子器件，大到 直流输电，小到生活中的各种家用电器，到处都可以见到这两种器件的 身影。由于这两种器件主要应用于中等功率场合，相对于功率容量的提 升，各家器件公司主要将发展和竞争重点放在损耗的降低上，纷纷推出 新一代的IGBT和MOSFET器件，其中较为典型的技术优化为沟槽型门极 结构和垂直导电技术的广泛应用， IGBT方面还有场终止技术、空穴阻抗 技术等，功率MOSFET方面的典型代表则为“超级结”技术。新的半导 体材料在这两种器件上的应用则基本停留在实验室阶段。
Advanced Power Electronics
高
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术
第一章 电力电子半导体器件
基本内容
1
电力电子器件发展概述 功率MOSFET 绝缘栅双极型晶体管
2
3 4 5 6
集成门极换向晶闸管的结构与工作原理
电力电子器件新材料 电力电子集成技术
高
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术
1.1 电力电子器件发展概述
高
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电
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1.2 功率MOSFET
功率MOSFET出现在70年代的晚期，它的出现主要来源于70年代中 期MOS技术的发展，不同于传统的双极性开关管（BJT），MOSFET属 于场效应管器件，是一种单极性电压控制型器件。在导通状态下，仅有 多数载流子工作，所以与电流控制型器件相比，所需的驱动功率非常小， 并且多数载流子导电的功率MOSFET显著减少了开关时间，因而很容易 达到100KHZ以上的开关频率，功率MOSFET是低压（＜200V）范围内 最好的开关器件，但在高压应用方面，其最大的特点是导通电阻随耐压 的2.5次方急剧上升，给高压功率MOSFET的应用带来很大困难。所以对 于MOSFET的技术优化基本都从这一点出发。
100K
Thyristor
GTO， IGCT
机器人
1000V/100A (SanRex)
Power MOSFET
10K
冶炼， 电解等 晶闸管模块
IGBT和 IGBT模块
汽车
200V/500A (Semikron) 200
1K
MOSFET
开关电源
100
TRIAC 洗衣机 空调 电冰箱
微波炉 高频MOSFET
高
等
电
力
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子
Байду номын сангаас
技
术
1.1 电力电子器件发展概述
6500V/600A (Eupec) 12000 104 7500 6000 5500 3300 2500 1700 103 12000V/1500A (Mitsubishi) 7500V/1650A (Eupec) 6500V/2650A (ABB) GTO 5500V/2300A (ABB) 6000V/6000A GTO (Mitsubishi) 6000V/6000A IGCT (Mitsubishi IGCT announced) 4800V/5000A (Westcode) 4500V/4000A (Mitsubishi)
10M 功率 100M 直流输电 电力汽车 不间断电源 1M 电动控制 目前应用范围 未来应用范围
SCR IGBT(market) IGCT(market) 3300V/1200A Module(Eupec) 2500V/1800A Press-Pack(Fuji) 1700V/2400A Module(Eupec)
换流晶闸管（IGCT）和对称门极换流晶闸管（SGCT）。
晶闸管的发展方向同样是增加单管的功率容量，同时增加对器件开 关的控制度，这一点在IGCT和SGCT以及光触发晶闸管的大量使用中可 以很明显的体现。 IGCT和SGCT是将GTO芯片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，结合了晶体管和晶闸管两种器件的 优点。传统GTO器件很难关断，必须在门极加一个约为器件额定电流1/3 的驱动电流，并在1内将阴极所有的电流抽出，才能确保其快速关断。而 IGCT关断则是一个很快的瞬态过程，器件完全按晶体管模式关断，从而 保证了完全受控的均匀关断，广泛应用于大功率电流型变流器以及变频 器上。
自从1957年底第一代晶闸管SCR面世以来，电力电子半导体器件发 展迅猛。直到1970年，普通晶闸管开始在工业应用中大量用于电力控制。 1970年后，各种类型的电力电子半导体器件相继出现并逐步商业化。其 中，碳化硅器件正在迅速发展中，而绝大部分实际工业应用的器件都是
用硅材料制作的。 这些器件大致可以分为三类：①功率二极管，②晶闸管，和③晶体 管[1]。随着电力电子器件的应用范围扩大和应用场合要求的提升，对器 件的发展要求也越来越提高，包括①更高的功率容量，②更低的开关损 耗，③更高的开关频率，④更紧凑的封装体积，⑤集成以及模块化设计。 大多在电力电子器件上应用的新技术都是围绕这几点发展方向来展开的。
高频供电电源
102 60V/1000A (Semikron) 102 200 500 103 2400 4000 6000 104
10 10
100
1K
10K
100K
1M
运行频率(Hz)
电力电子半导体器件应用功率等级分布
电力电子半导体器件应用频率分布
高
等
电
力
电
子
技
术
1.1.2 晶闸管
常规应用的晶闸管大致有以下几类：①强迫换流晶闸管，②门关断 晶闸管，③反相导通晶闸管（RCT），④静态导通晶闸管(SITH)，⑤光 触发硅控整流器 (LASCR)， ⑥MOS关断（MTO）晶闸管，⑦集成门极
高
等
电
力
电
子
技
术
1.2.1 沟槽型MOSFET
沟槽技术最早见于功率放大器和电能转换装置的功率MOSFET，其 在传统的MOS器件基础上做出了三项重大改革：1. 垂直的安装漏极，实 现了垂直导电，将在传统MOS结构中与源极和栅极同时水平安装在硅片 顶部的漏极改装在硅片的底面上，这样充分利用了硅片面积，基本上实 现了垂直传导漏源电流，消除了导通电阻中的JFET区阻抗部分，减小了 RCH部分,为获得大电流容量提供了前提条件。2. 模仿GTR设置了高电阻 率的n-型漂移区，不仅提高了器件的耐压容量，而且降低了结电容，并 使沟道长度稳定。3. 采用双重扩散技术代替光刻工艺控制沟道长度，可 以实现精确的短沟道，降低沟道电阻值，提高工作速度，并使输出特性 具有良好的线性。
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术
1.1.3 电力晶体管
电力晶体管有四种类型：①BJT，②电力MOSFET，③IGBT和④ SIT。其中IGBT和电力MOSFET是最为广泛应用的电力电子器件，大到 直流输电，小到生活中的各种家用电器，到处都可以见到这两种器件的 身影。由于这两种器件主要应用于中等功率场合，相对于功率容量的提 升，各家器件公司主要将发展和竞争重点放在损耗的降低上，纷纷推出 新一代的IGBT和MOSFET器件，其中较为典型的技术优化为沟槽型门极 结构和垂直导电技术的广泛应用， IGBT方面还有场终止技术、空穴阻抗 技术等，功率MOSFET方面的典型代表则为“超级结”技术。新的半导 体材料在这两种器件上的应用则基本停留在实验室阶段。