电力电子元器件的最新发展现状.

栅结构相比，沟槽栅结构通常采用1μm加工精度，提高了元胞密度。由于门
极沟的存在，使得导通电阻下降。为增加长基区厚度、提高器件耐压创造了 条件。所以近几年来出现的高耐压大电流IGBT器件均采用这种结构。该元件
的发射结采用了与GTO类似的平板压接结构，采用更高效的芯片两端散热方
式。避免了大电流IGBT模块内部大量的电极引出线，提高了可靠性和减小了 引线电感，缺点是芯片面积利用率下降。所以这种平板压接结构的高压大电 流IGBT模块也可望成为高功率高电压变流器的优选功率器件。
3.IGCT：集成门极换流晶闸管 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。IGC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栅极驱动单元，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。
于达
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达到 5kv-10kv,漏电流特别小。即使高耐压的SiC 的场效 应管的导通电压也比双极性硅器件的压降低。而且， SiC器 件的开关时间可达 10ns 级。因此，碳化硅在高温、高频率、
和双极型晶体管相比 ,SIT 具有以下的优点：①线性好、噪声小。 用SIT制成的功率放大器 ,在音质、音色等方面均优于双极型晶体管。②
输入阻抗高、输出阻抗低，可直接构成OTL电路。③SIT是一种无基区晶
体管，没有基区少数载流子存储效应，开关速度快。④它是一种多子器 件，在大电流下具有负温度系数，器件本身有温度自平衡作用，抗烧毁
代
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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。 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
关断，具有高耐压、大电流、低压降、低功耗、高速度、优良的动态性
能以及强的抗烧性等优异性能，应用前景十分广阔。 SITH最重要的用途是作为可关断的电力开关，主要运用于正向导 通和反向阻断两个状态。对于常关型器件，正栅压使其开通，负栅压使 器件强迫关断。与普通晶闸管（SCR）及可关断晶闸管（GTO）相比有许
多优点：SITH的通态电阻小，通态电压低，开关速度快，开关损耗小，
正向电压阻断增益高，开通和关断的短路增益大，di/dt及dv/dt的耐量 高。但是，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应 用范围还有待拓展。
六、采用新型半导体材料制造的新 型功率器件
以上所述各种电力电子器件一般都是由硅（Si)半导体材料制成的。
要包括静电感应晶体管 SIT 、双极型静电感应晶体管 BSIT 、静电感应晶 闸管SITH等三大类。与现用的晶体管和电子管比较，使用静电感应器件
最明显的优点一是可实现功率变频，从而达到高效节能（节能效果可高
达 40% ），二是可优化产品结构、大幅度缩小产品体积，降低原材料消 耗。它的最后发展将为人类广泛节约能源，降低材料消耗提供重要手段，
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五、 静电感应晶体管 SIT 静电感应晶 闸管 SITH
1.静电感应晶体管SIT（Static Induction Transistor）
在普通结型场效应晶体管基础上发展起来的单极型电压控制器件，
有源、栅、漏三个电极,它的源漏电流受栅极上的外加垂直电场控制。 其结构可分为平面栅型、埋栅型和准平面型三大类。SIT与普通的结
此外，近年来还出现了一些性能优良的新型化合物半导体材料，如砷
化镓（GaAs)碳化硅（SiC)）、磷化铟（InP)）及锗化硅（SiGe）等，
由它们作为基础材料制成的电力电子器件正不断涌现出来。
一、碳化硅（SiC）是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，与其他半 导体材料相比具有高禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿强度、 低介电常数和高热导率的物理特点，其工作温度可达600 ℃，结耐压易
电力电子器件的最新发展现状
课程：电力电子器件
目
录
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电力电子器件的回顾 IGBT模块的最新发展 MCT:MOS控制晶闸管 IPEM：集成电力电子模块 静电感应晶体管SIT和静电感应晶闸管SITH 采用新型半导体材料制造的新型半导体器件
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一、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三类： 不可控器件——电力二极管（Power Diode） 电力二极管在20世纪50年代初期就获得应用，当时也被称为半导体整流 器；它是以半导体PN结为基础，实现正向导通、反向截止的功能；电力二极 管是不可控器件，其导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决 定的，因此目前电力二极管基本上已经被全控型器件所代替。 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
为静电感应晶体管。 静电感应晶体管 SIT主要有三种结构形式 :埋栅结构、表面电极结
构和介质覆盖栅结构。埋栅结构是典型结构，适用于低频大功率器件；
表面电极结构适用于高频和微波功率 SIT;介质覆盖栅结构是中国研制成 功的，这种结构既适用于低频大功率器件，也适用于高频和微波功率器
件，其特点是工艺难度小、成品率高、成本低、适于大量生产。
能力强。⑤无二次击穿效应，可靠性高。⑥低温性能好，在 -19 ℃下工
作正常。⑦抗辐照能力比双极晶体管高50倍以上。 静电感应晶体管是一种新型器件，可用于高保真度的音响设备、 电源、电机控制、通信机、电视差转机以及雷达、导航和各种电子仪器 中。
二、静电感应晶闸管 SITH
静电感应器件（SID）是一类新型电力半导体器件的总称，它主
每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的
MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。 MCT具有高电压、大电流、高载流密度、低通态压降的特点。其
通态压降只有GTR的1/3左右，硅片的单位面积连续电流密度在各种
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器件中是最高的。另外，MCT可承受极高的di/dt和du/dt，
使得其保护电路可以简化。 MCT 的开关速度超高 GTR, 开关损
耗也小。 MCT 曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器 件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但经过 十多年的研究，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流 容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。而其竞争 对手 IGBT 却进展飞速，所以，目前从事 MCT 研究的人不是很
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2. 新型大功率IGBT模块- 电子注入增强栅晶体管IEGT（Injection Enhanced Gate Trangistor） 近年来，日本东芝公司开发了IEGT，与IGBT一样，它也分平面栅 和沟槽栅两种结构。IEGT兼有IGBT和GTO两者的某些优点：低的饱和 压降，宽的安全工作区（吸收回路容量仅为GTO的1/10左右），低的 栅极驱动功率（比GTO低2个数量级）和较高的工作频率。加之该器件 采用了平板压接式电极引出结构，可望有较高的可靠性。 IEGT之所以有前述这些优良的特性，是由于它利用了“电子注入 增强效应”。与IGBT相比，IEGT结构的主要特点是栅极长度Lg较长， N长基区近栅极侧的横向电阻值较高，因此从集电极注入N长基区的空 穴，不像在IGBT中那样，顺利地横向通过P区流入发射极，而是在该 区域形成一层空穴积累层。为了保持该区域的电中性，发射极必须通 过N沟道向N长基区注入大量的电子。这样就使N长基区发射极侧也形 成了高浓度载流子积累，在N长基区中形成与GTO中类似的载流子分布， 从而较好地解决了大电流、高耐压的矛盾。目前该器件已达到4.5kV /1kA的水平。
多。
四、IPEM：集成电力电子模块
• IPEM(Intergrated Power Elactronics Modules)是将 电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。它首先将半 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迭装到开孔 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。在积木单元的上部，则通过表面贴 装将控制电路、门极驱动、电流和温度传感器以及保护电 路集成在一个薄绝缘层上。IPEM实现了电力电子技术的 智能化和模块化，大大降低了电路接线电感、系统噪声和 寄生振荡，提高了系统效率及可靠性。
型场效应晶体管的最大区别就是在沟道中有多子势垒存在，该势垒阻
碍着电子从源向漏的流动，势垒大小即受栅-源间电压的控制，也受 源-漏间电压的控制。SIT器件的工作原理就是通过改变栅极和漏极电
压来改变沟道势垒高度，从而控制来自源区的多数载流子的数量，通
过静电方式控制沟道内部电位分布，从而实现对沟道电流的控制。 SIT的输出特性曲线呈现与真空三极管类似的非饱和特性。
并为机电融合一体化开辟新的道路。
静电感应晶闸管是在 SIT 的漏极层上附加一层与漏极层导电类型 不同的发射极层而得到的。因为其工作原理也与 SIT 类似，门极和阳极 电压均能通过电场控制阳极电流，因此SITH又被称为场控晶闸管 （Field Controlled Thyristor--FCT)。
与其它电力器件相比，SITH具有一系列突出的优点：用栅极可强迫
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
等。
众所周知一个理想的功率器件，应当具有下列理 想的静态和动态特性：在截止状态时能承受高电压在 导通状态时，具有大电流和很低的压降；在开关转换 时，具有短的开、关时间，能承受高电压变化率和电 流变化率的以及具有全控功能。
三、MCT:MOS控制晶闸管
MCT（MOS Controlled Thyristor）是将MOSFET与晶闸管组合 而成的复合型器件。MCT将MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快 速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点结合起来， 也是Bi-MOS器件的一种。一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，
当前功率器件研究工作的重点主要集中在研究现有
功率器件的性能改进、MOS门控晶闸管以及采用新型 半导体材料制造新型的功率器件等。下面就对近年来 上述器件的最新发展加以综述。
二、IGBT模块的最新发展
1.高功率沟槽栅结构IGBT（Trench IGBT）模块
当今高功率IGBT模块中的IGBT元胞通常多采用沟槽栅结构IGBT。与平面
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静电感应晶体管 SIT是一种电压控制器件。在零栅压或很小的负
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栅压时，沟道区已全部耗尽，呈夹断状态，靠近源极一侧的沟道中出现
呈马鞍形分布的势垒，由源极流向漏极的电流完全受此势垒的控制。在 漏极上加一定的电压后，势垒下降，源漏电流开始流动。漏压越高 , 越
大 , 亦即 SIT 的源漏极之间是靠漏电压的静电感应保持其连接的 , 因此称