电力电子器件

电力电子器件的发展和现状 引言 现代电力电子技术是从上世纪八十年代发展起来的一门新型学科,它集电子技术、电力技术和控制理论于一体,已经发展成为一个涉及领域广阔的独立而日趋成熟的重要学科。现代电力电子技术无论对传统工业的改造还是对高新技术产业的发展都有着至关重要的作用,它涉及的应用领域包括国民经济的各个工业部门。毫无疑问,电力电子技术将成为21 世纪的重要关键技术之一。电力电子技术是应用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术,其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础。以电力电子器件为核心的电力电子装置中器件所占的价值虽然只有装置总价值的20 %~30 %左右,但器件的性能对整个装置的各项技术指标和性能有着重要的影响。 1 电力电子器件概述 电力电子器件又称为开关器件,是应用于电力领域的电子器件,其控制功率范围可以从1W以下到数百MW,甚至GW。对于电力电子器件而言,它的工作特性应当是:导通状态能流过大电流且导通电压降低,截止状态能承受高电压;开关转换时,开关时间短,开关过程中要能承受足够高的d i/d t 和d v/d t ;能控制器件的开通和关断。 目前,电力电子器件有多种分类方式。例如,按照其可控程度可分为,不可控器件,半控型器件,全控型器件及模块化器件;按照器件的结构和工作机理可分为,双极型器件,单极型器件和混合型器件。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。 2 电力电子器件的发展过程 2. 1 半控型器件 上世纪50 年代,美国通用电气公司发明了世界上第一只硅晶闸管(SCR) ,标志着电力电子技术的诞生。此后,晶闸管得到了迅速发展,器件容量越来越大,性能得到不断提高,并产生了各种晶闸管派生器件,如快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。但是,晶闸管作为半控型器件,只能通过门极控制其开通,不能控制其关断,要关断器件必须通过强迫换相电路,从而使整个装置体积增加,复杂程度提高,效率降低。另外,晶闸管为双极型器件,有少子存储效应,所以工作频率低,一般低于400 Hz。由于以上这些原因,使得晶闸管的应用受到很大限制。 虽然晶闸管有以上一些缺点,但由于它的高电压、大电流特性,使它在高压直流输电、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的应用仍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。 2.2 全控型器件 随着半导体技术的不断发展,电力电子器件从早期的小功率、半控型、低频器件发展为现在的大功率、全控型、高频器件。从上世纪70 年代后期开始,GTO、GTR 器件及模块相继实用化。此后,各种高频全控型器件不断问世,并得到迅速发展,如IGBT、MOSFET、IGCT、MCT 器件等,这些器件的产生和发展,形成了新型全控型电力电子器件的大家族。 2.2.1 大功率晶体管 大功率晶体管( GiantTransistor —GTR) 也称巨型晶体管,是三层结构的双极全控型大功率高反压晶体管,它具有自关断能力,控制十分方便,并有饱和压降低和比较宽的安全工作区等优点,在许多电力变流装置中得到应用。GTR 是一种电流控制型器件,所需驱动功率较大,驱动电路较复杂,且由于其固有的“二次击穿”问题,其安全工作区受各项参数影响而变化,所以,GTR 存在热容量小、过流能力低等缺点。目前,GTR 已经基本被GTO 取代。 2.2.2 可关断晶闸管 GTO(Gate Turn-Off Thyristor) 是上个世纪60 年代初问世的,在此后的三四十年内得到了很大的发展,至今仍是重要的电力半导体器件。传统GTO 的基本结构与普通晶闸管一样,也是4 层3 端结构,它几乎具有晶闸管的全部优点。但它的门极不仅具有普通晶闸管控制阴阳极主回路导通的能力,而且当在门极上施加负电压时,能使处于导通状态的晶闸管转变为关断状态,重新恢复阻断能力,实现门极关断,为全控型器件。 为了改善关断特性,GTO 器件均采用多个子器件并联的方式,即在同一硅片上,制作成千上万个细小的GTO 子器件,它们有共同的门极,阴极相互分开独立,采用适当的封装结构,将这些子器件并联在一起,器件外观和大功率普通晶闸管完全 一样。 传统GTO 器件存在固有的缺陷,如GTO 的最大可关断阳极电流与加在门极的负脉冲电流有关,二者之比为GTO 的电流关断增益。另外,传统GTO 的电流关断增益只有3~5 ,而GTO 在关断过程中,各子器件关断不均匀,很可能造成关断过程拖尾时间长,电流甚至集中在某些子器件上,这种电流局部集中现象称为电流的“挤流效应”。“挤流效应”的存在将导致器件局部热点的产生,严重时会使GTO 器件被烧毁。这些都限制了GTO 的应用范围。但是GTO 所具有的高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/d t 耐量等优点,使它在高压、大功率牵引、工业和电力逆变器中得到广泛应用。 目前,GTO 的最高研究水平为6 in、6 KV/6 KA以及9 KV/10 KA。为了满足电力系统对1 GVA 以上的三相逆变功率电压源的需要,近期可能开发10 KA/12 KV 的GTO ,并且要解决多个高压GTO 的串联技术,这样有望使电力电子技术在电力系统中的应用再上一个台阶。 2.2.3 电力场效应晶体管 电力场效应晶体管分为两种类型,结型和绝缘栅型,其工作原理与普通MOSFET 一样。通常所说的是绝缘栅型中的MOS 型(Metal Oxide Semicon-ductor FET) ,简称电力P-MOSFET(Power MOSFET) ,P-MOSFET 是用栅极电压来控制漏极电流,它的显著特点是驱动电路简单,驱动功率小, P-MOSFET为单极型器件,开关速度快,工作频率高,是目前所有电力电子器件中工作频率最高的器件,其工作频率可达MHz ,但是P-MOSFT 通态电阻大,器件导通时压降大,使得器件电流容量小,耐压低,其常用于高频、小功率的电力电子装置中。 2.2.4 绝缘栅极双极型晶体管 绝缘栅极双极型晶体管( IGBT) 是RCA 公司和GE 公司1982 年为了解决MSOFET 在高压下存在的导通电阻大的问题而开发的,并于1986 年开始正式生产并逐渐系列化。它是一种复合型器件,可看做是MOS 输入的达林顿管。IGBT 一经问世,即得到飞速发展,目前是新型电力电子器件的主流器件之一。 IGBT 在性能上兼有双极型器件和MOS 器件的优点,其特点是栅极为电压驱动,驱动电路简单,所需驱动功率小,开关损耗小,工作频率高,承受电压较高,载流密度大,通态压降小,热稳定性好,没有“二次击穿”问题,安全工作区大,不需要 缓冲电路。IGBT 的不足之处在于高压IGBT 的导通电阻较大,导致导通损耗大,在高压应用领域,通常需要多个串联,并且过压、过流、抗冲击、抗干扰等承受能力较低。 IGBT自问世以来,其工艺技术和参数不断得到改进和提高,已由低功率IGBT 发展到了IGBT功率模块,其电性能参数日趋完善。目前IGBT 的制造水平除低压(1 700 V/1 200 A) 外,已开发出高压IGBT ,可达3.3 KV/1.2 KA 或4.5 KV/0.9 KA 的水平,器件工作频率可达几百KHz。在IGBT 的技术开发中,随着制造技术的提高,精细加工成为可能。目前, IGBT 有以下一些新进展。 (1) 低功率IGBT 600 V、10 A、1 KHz 的低功率IGBT 主要应用于家电行业的微波炉、洗衣机、电磁炉、电子镇流器等。 (2) 穿通型( PT 型) IGBT PT 型IGBT 设计时,基区宽度小于空间电荷最大展宽宽度,其耐压由设置一个N+ 缓冲层的穿通机制决定。它的基区比较窄,采用厚外延衬底片,这种器件在70 %额定电流下为负温度系数,一般来说,1 700 V 以下的IGBT 大多采用这种结构。 (3) 非穿通型(NPT 型) IGBT 其采用薄硅片技术,以离子注入发射区代替高复杂、高成本的厚层高阻外延,可降低生产成本25 %左右,耐压越高成本差越大,在性能上更具特色,高速、低耗、正温度系数、无锁定效应。 (4)U(沟槽结构) IGBT 这种结构的IGBT 是在管芯上刻槽,芯片元内部形成沟槽式栅极,采用沟道结构后,可进一步缩小芯片元尺寸,降低沟道电阻,提高电流密度,进而可制造出相同额定电流而芯片尺寸最小的产品。现有多家生产各种U-IGBT产品的厂家,适用低压驱动、表面贴装的要求。 (5) SDB-IGBT 它是采用SDB (硅片直接键合)片制造,SDB 片形成的工艺过程并不复杂,但键合质量很难保证。鉴于目前厂家对IGBT 的开发非常重视,三星、快捷等公司采用SDB 技术,在IC 生产线上制作第四带高速IGBT 及模块系列产品,特点为高速、低饱和压降、低拖尾电流、正温度系数、易于并联,在600 V 和1 200 V 电压范围内性能优良。 (6) 超快速IGBT 其为国际整流器IR 公司开发的新产品,其研发重点在于减少IGBT 的拖尾,使其能快速关断。超快速IGBT 可最大限度地减少拖尾效应,关断时间不超过2 000 ns ,采用特殊高能照射分层技术,关断时间可在100 ns 以下, 拖尾更短,其重点产品专为电机控制设计,也可用在功率电源变换器中。 (7) IGBT 功率模块IGBT 功率模块采用IC 驱动、各种驱动保护电路、高性能的IGBT 芯片、新型封装技术,从复合功率模块发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PCBB、电力模块IPEM。复合功率模块向高压大电流发展,其产品水平为1 200~1 800 A/1 800 A~3 300 V ,可用于变频调速,电力机车VVVF 逆变器等。 总之,目前IGBT 已应用于电力电子的各个方面,但是其在向高频大功率化发展方面,仍需在减小通态压降和增加开关速度之间去折中。 2.2.5 MOS控制晶闸管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。 最新的一种MCT结构是DCEST(Dualchannel Emitter Switched Thyristor),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。 2.2.6 集成门极换流晶闸管 集成门极换流晶闸管( IGCT) 是一种复合型器件,主要用于大功率电力电子装置,它的应用使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了极大进展,给电力电子装置带来了新的飞跃。 IGCT 是在GTO 基础上发展起来的,也是4 层3 端器件,它的阳极内侧多了缓冲层,以透明(可穿透) 阳极代替GTO 的短路阳极,为逆导GTO 结构,门极为特殊环状,引出端安排在器件的周边,门、阴极之间的距离较常规GTO 小得多,所以 在门极加负偏压实现关断时,门、阴极间可立即形成耗尽层。从阳极注入基区的主电流,在关断瞬间全部流入门极,关断增益为“1”,从而使器件迅速关断。由于关断IGCT 时需要提供与主电流相等的瞬时关断电流,所以要求包括IGCT 门、阴极在内的门极驱动回路必须具有很小的引线电感,实际上它的门极和阴极之间的电感只有GTO 的1/10。另外,IGCT 有一个极低的引线电感与管饼集成在一起的门极驱动器,采用多层薄板状的衬板与主门极驱动电路连接,门极驱动电路由衬板及许多并联的功率MOS 管及放电电容组成,包括IGCT 及门极驱动电路在内的总引线电感可减小到GTO 的1P100。 由于IGCT 在结构上采取的这一系列措施,使其具有晶体管和晶闸管两种器件的优点,即晶体管的稳定关断能力和晶闸管的低通态损耗。IGCT在导通期间发挥晶闸管的性能,关断阶段则类似晶体管。IGCT 具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑和损耗低等优点。此外, IGCT 还像GTO 一样,具有制作成本低和成品率高的特点,有极好的应用前景,是GTO 的替代产品。 目前, IGCT 已经商品化,ABB 公司制造的IGCT产品的最高性能参数为4。5 KV/ 4 KA ,最高研制水平为6 KV/4 KA。1998 年,三菱公司也开发了直径为88 mm 的6 KV/4 KA 的GCT 晶闸管。在实际应用中需注意,电压较低时选用IGBT 较为合算;电压较高时选用IGCT 较为合算。根据应用和设计的标准不同,在1 800~3 300 V 之间,两种器件交叉使用,IGBT 更适于功率较小的装置,而IGCT 则较适用于功率较大的装置。 2.2.7电子注入增强型晶体管 近年来,日本东芝公司开发了电子注入增强型晶体管( IEGT) ,它是耐压4 KV 以上的高耐压IGBT 系列电力电子器件。IEGT 通过采取增强注入结构,兼有IGBT 和GTO 两者的优点,具有低饱和压降、宽的安全工作区(吸收回路容量只有GTO 的1/10 左右) 、低栅极驱动功率(比GTO 低两个数量级) 和较高的工作频率。 IEGT的这些优点,使大容量电力电子器件取得飞跃性发展,现已经历了实际应用的初级阶段,进入了通过特性改良以实现更高性能为目标的发展阶段。 IEGT 本质上具有作为MOS 系列电力电子器件的潜在发展前景,预示着它是未来的主要发展方向。除低损耗、高速动作等基本芯片性能不断提高外,6 KV 级高耐压化、有源栅驱动的智能化、沟槽结构的采用等,以及多芯片并联而自均流的特征也使其易于并联使用以进一步扩大电流容量成为可能。目前,IEGT 的器件水平已经达到4。 5 KV/1 500 A。 2.2.8 功率PIC器件 功率集成电路( PIC)是近几年来发展很快的一种器件,它是微电子技术和电力电子技术相结合的产物,其基本功能是使功率与信息合一,成为机电的重要接口。由于装置受用PIC,可使装置内电源部分的体积缩小,重量减轻,可靠性提高,从而使装置成本降低。功率集成电路包括高压集成电路( HV IC)和智能功率集成电路( SPIC)。前者是横向高压器件起控制作用的传统逻辑电路或模拟电路单片集成;后者是纵向功率器件由逻辑或模拟控制电路、传感器以及保护电路等单片集成。1981年美国试制出第一个PIC, 1985年进入电力电子器件市场, 目前HV IC 水平为80V、20A,开关频率为200Hz,用于平板发光屏显示驱动装置和长途电话的功率变换装置。SPIC水平为110V、13A、500V、0. 5A用于直流电机的传动。我国近年在SPIC方面也有长足的发展,已研制出具有过电流、过温、保护功能的耐压在300V以上的PWM模块。 3 基于新型材料的电力电子新器件 从晶闸管问世到IGBT 的普遍应用,电力电子器件经过近40 年的发展,基本上都是表现为对器件原理和结构的改进和创新,在材料的使用上则始终没有突破硅的范围。无论是功率MOSFET 还是IGBT ,它们与晶闸管和整流二极管一样都是硅制造的器件。但是,随着硅材料和硅工艺的日趋完善,各种硅器件的性能逐步趋近其理论极限,而电力电子技术的发展却不断对电力电子器件的性能提出了更高的要求,尤其是希望器件的功率和频率能得到更高程度的兼顾。因此,越来越多的电力电子器件研究工作转向了对应用新型半导体材料制造新型电力电子器件的研究。结果表明,就电力电子器件而言,硅材料并不是最理想的材料,比较理想的材料应当是,临界雪崩击穿电场强度、载流子饱和漂移速度和热导率都比较高的宽禁带半导体材料,这种材料比较典型的有砷化镓(GaAs) 、碳化硅(SiC) 等。 目前,随着这些材料的制造技术和加工工艺日渐成熟,使用宽禁带半导体材料 制造性能更加优越的电力电子新器件已成为可能。特别是碳化硅肖特基二极管在本世纪初投放市场并获得良好的实际应用效果后,进一步增强了人们大力发展用宽禁带半导体材料制造电力电子器件的信心。在各种宽禁带半导体材料中,碳化硅是一种性能优越的材料,它的性能指标较砷化镓还要高一个数量级,与其他材料比较,它具有,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等特征。使用碳化硅制造的电力电子器件,有可能将半导体器件的极限工作温度提高到600 ℃以上,至少可以在硅器件难以承受的高温下长时间稳定工作。不仅如此,在额定阻断电压相同的前提下,碳化硅器件不但通态电阻很低,工作频率也比硅器件高10 倍以上。所以,碳化硅器件在高温、高频、高功率容量的应用场合是极为理想的电力电子器件。 3.1 碳化硅肖特基势垒二极管 本世纪初,碳化硅肖特基势垒二极管(SBD) 首先揭开了碳化硅器件在电力电子领域替代硅器件的序幕。由于肖特基二极管的制造工艺相对比较简单,所以对碳化硅肖特基二极管的研究也已较为成熟。美国Cree 公司和德国Infineon 公司率先推出耐压600 V、电流分别为12 A 和10 A 以下的系列产品。普渡大学最近制造出了阻断电压高达4。9KV 的4H2SiC 肖特基二极管,特征导通电阻为43m ΩP cm2 ,这是目前碳化硅肖特基二极管的最高水平。市面上的SBD 最高耐压可达1 200 V ,最大电流可达20 A。 碳化硅SBD 器件具有预期的反向漏电流极小,几乎没有反向恢复时间等优点,同时,高温性能异常优越,于是一些大公司在其IGBT 变频或逆变装置中采用这种二极管替代硅块恢复二极管,取得了提高工作频率、大幅度降低开关损耗的明显效果,总体效益大大超过由于替换器件所增加的成本。目前,碳化硅SBD 的全球市场容量估计达400 万美元。 3.2 碳化硅场效应器件 碳化硅场效应器件的开发优势在于能够兼顾阻断电压和通态电阻,而且结构与硅场效应器件没有太大区别,因而可以充分利用硅MOS 的成熟技术。1994 年首次报道的碳化硅场效应器件,耐压只有260 V ,通态比电阻为18 mΩ·cm3 。虽然目前碳化硅场效应器件还未能实现商业化,但其研发工作进展很快,在2004 年其耐压已经达到了硅器件无法达到的10 000 V 水平,通态比电阻也向理论极限大 大靠近了一步,可达123 mΩ·cm3 。 3.3 碳化硅IGBT 虽然碳化硅场效应器件的阻断电压可以做到硅器件所无法达到的10 000 V ,但更高阻断电压也面临通态电阻问题,所以,人们对碳化硅IGBT 寄予厚望。 对碳化硅IGBT 的研发工作起步较晚,1999 年才首见报道,这是一个阻断电压只有790 V 的p 沟道4H-SiC IGBT ,且其通态压降很高,在电流密度为75 A/cm2 时就高达15 V ,这说明碳化硅IGBT 在阻断电压不高的情况下,相对于碳化硅场效应器件没有什么优势,其优越性只在10 000 V 以上的高压领域。近年来,碳化硅高压IGBT 的研发工作已有较大进展,目前遇到的主要困难在于:p 沟道IGBT 的源极接触电阻偏高,而n 沟道IGBT 又需要用p 型碳化硅材料做衬底。因此,碳化硅IGBT 研发工作的实质性进展,还有待于材料和工艺技术的进一步发展。 3.4 碳化硅双极型器件 用碳化硅可以制造阻断电压很高的双极型器件,比如高压二极管和晶闸管等。2000 年5 月,美国Cree 公司与日本关西电力公司(KEPCO) 联合研制成功世界上第一只耐压超过万伏的碳化硅pn 结二极管,其反向阻断电压为12 300 V ,正向压降在电流密度为100 A/cm2 时只有4.9 V。到2001 年,碳化硅二极管的阻断电压可达到20 000 V 水平,相应的反向漏电流密度为217mA/cm2 ,正向压降在电流密度为100 A/cm2 时只有6.5 V。碳化硅pn 结二极管的阻断电压在2001 年后,没有新进展,研究人员把研究重点转移到提高器件承受大电流能力方面,2002 年Sugawara 等人研制成功了100 A/5200 V 大功率碳化硅pn 结二极管,在300 ℃和100 A 正向电流下的压降为4.2 V。而利用碳化硅材料研制的晶闸管、GTO、GCT 等器件近年来均有相关报道,但这些器件离实际工业应用还有一段距离。 4 结语 现在,电力电子器件的应用已深入到工业生产和社会生活的各方面。经过人们的不断努力,虽然硅双极型器件和场控器件的研究已趋成熟,但它们的性能仍在不断得到提高和改善,近年来出现的IGCT 和IEGT 可望取代GTO。各种电力电子器件驱动器将高频化、模块化、系列化、智能化, 其驱动全控型功率器件的容量 有望进一步扩大, 频率进一步提高。 采用碳化硅等新型材料制造电力电子器件,预示在不远的将来会诞生集高耐压、大电流、高工作频率、无吸收电路、简单门极驱动、低损耗等优点于一身的新型器件,实现人们对“理想器件”的追求,这也是未来电力电子器件发展的主要趋势。 总之,新型器件的出现与电力电子技术向纵深发展是相辅相成的,应用的需求促进了新器件的发明,新器件的出现又给电力电子技术注入了新的活力,这一发展趋势无疑仍将继续下去。 参考文献: [1]王兆安,黄俊.电力电子技术(第四版).北京:机械工程出版社,2005. 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