电子电力器件的最新进展和发展前景

电子电力器件的最新进展和发展前景摘要：电力电子技术包括功率半导体器件与技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中，电力电子器件（IGBT，晶闸管等）是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“机车”。现代电力电子技术无论对改造传统工业电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等，还是对高新技术产业航天、激光、通信、机器人等都至关重要。它已迅速发展成一门独立的学科，其应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门，毫无疑问，它将成世纪的关键技术之一。“一代器件决定一代电力电子技术。”每一代新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。关键词：电力电子IGBT晶闸管TheLatestProgressandDevelopmentProspectofElectronicPowerDeviceWANGShi-leiHuazhongUniversityofScienceandTechnology,WuHan.P.R.China430074Abstract：Powerelectronictechnologyincludingpowersemiconductordevicesandtechnology,powertransformationtechnologyandcontroltechnologyandsoon.Amongthem,thepowerelectronicdevices,suchasIGBTandthyristorisanimportantbasisofpowerelectronictechnology.itisalsothelocomotiveforthedevelopmentofpowerelectronictechnology.Modernpowerelectronictechnologynotonlybetoreformtraditionalindustrialelectricity,machinery,miningandmetallurgy,transportation,chemicalindustry,textile,etc.,butforhighandnewtechnologyindustryspace,laser,communication,suchasrobotsarecritical.Ithasrapidlydevelopedintoanindependentdiscipline,whichapplicationfieldisalmostinvolveseachindustrialsectorofthenationaleconomy,thereisnodoubtthatitwillbeacenturyofoneofthekeytechnologies.Onegenerationdevicedecisionpowerelectronictechnology.Eachgenerationoftheemergenceofnewpowerelectronicdevices,alwaysbringarevolutioninthepowerelectronictechnology.Keywords:PowerElectronicsIGBTThyristor1、电子电力器件的发展历程自20世纪50年代末第一只晶闸管问世以来[1]，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子的诞生。进入70年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品[3]，普通晶闸管不能自关断的半控型器件，被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容易和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出GTR。GTO，功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的第三代电力电子器件，开始向大容易高频率、响应快、低损耗方向发展。而进入90年代电力电子器件正朝着复台化、标准模块化、智能化、功率集成的方向发展。近年来，微电子技术与电力电子技术又在各自的发展的基础上相结合，产生了一批工作频率高，具有门极全控性能集成器件，他们的品种越来越多，功率越来越大，性能越来越好，已经形成了庞大的电力电子其器件家族树。2、电子电力器件的最新发展现代电力电子器件仍然再向大功率、易驱动和高频化方向发展。电子电力模块化是其向高功率密度发展的重要一步，当前电子电力器件的主要发展成果如下。IGBTIGBT（绝缘栅双极晶体管）作为新型电力半导体场控自关断器件，集功率MOSFET的高速性能与双极性器件的低电阻于一体，具有输入阻抗高，电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，在各种电力变换中获得极广泛的应用。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠、低成本技术，主要采用1um以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。2.1、低功率IGBTIGBT应用范围一般都在600V、1KA、1KHz以上区域，为满足家电行业的发展需求，摩托罗拉、ST半导体、三菱等公司推出低功率IGBT产品，实用于家电行业的微波炉、洗衣机、电磁灶、电子整流器、照相机等产品的应用。2.2、U-IGBTU（沟槽结构）--TGBT是在管芯上刻槽，芯片元胞内部形成沟槽式栅极。采用沟道结构后，可进一步缩小元胞尺寸，减少沟道电阻，提高电流密度，制造相同额定电流而芯片尺寸最少的产品。现有多家公司生产各种U—IGBT产品，适用低电压驱动、表面贴装的要求。2.3、NPT-IGBTNPT（非传统型）--IGBT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，在性能上更具有特色，高速、低损耗、正温度系数，无锁定效应，在设计600—1200V的IGBT时，NPT—IGBT可*性最高。西门子公司可提供600V、1200V、1700V系列产品和6500V高压IGBT，并推出低饱和压降DLC型NPT—IGBT，依克赛斯、哈里斯、英特西尔、东芝等公司也相继研制出NPT—IGBT及其模块系列，富士电机、摩托罗拉等在研制之中，NPT型正成为IGBT发展方向。2.4、SDB--IGBT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（硅片直接键合）技术，在IC生产线上制作第四代高速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600V和1200V电压范围性能优良，分为UF、RUF两大系统。2.5、超快速IGBT国际整流器IR公司的研发重点在于减少IGBT的拖尾效应，使其能快速关断，研制的超快速IGBT可最大限度地减少拖尾效应，关断时间不超过2000ns，采用特殊高能照射分层技术，关断时间可在100ns以下，拖尾更短，重点产品专为电机控制而设计，现有6种型号，另可用在大功率电源变换器中。2.6、IGBT/FRDIR公司在IGBT基础上推出两款结合FRD（快速恢复二极管）的新型器件，IGBT/FRD有效结合，将转换状态的损耗减少20%，采用TO—247外型封装，额定规格为1200V、25、50、75、100A，用于电机驱动和功率转换，以IGBT及FRD为基础的新技术便于器件并联，在多芯片模块中实现更平均的温度，提高整体可*性。2.7、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IGBT芯片，新型封装技术，从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高压大电流发展，其产品水平为1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于变频调速外，600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器[7]。平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB，用于舰艇上的导弹发射装置。IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代IPEM，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为IGBT发展热点。3、晶闸管3.1超大功率晶闸管晶闸管（SCR）自问世以来，其功率容量提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产8kV/4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV/4kA和6kV/6kA的光触发晶闸管（LTT）。美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。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应用方面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。现在，许多生产商可提供额定开关功率36MVA（6kV/6kA）[8]用的高压大电流GTO。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引起的挤流效应使其在关断期间dv/dt必须限制在500~1kV/μs。为此，人们不得不使用体积大、昂贵的吸收电路。另外它的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感到兴趣。到目前为止，在高压（VBR3。3kV）、大功率（0。5~20MVA）牵引、工业和电力逆变器中应用得最为普遍的是门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6in、6kV/6kA以及9kV/10kA。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很有可能开发出10kA/12kV的GTO，并有可能解决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中的应用方面再上一个台阶。3.2脉冲功率闭合开关晶闸管该器件特别适用于传送极强的峰值功率（数MW）、极短的持续时间（数ns）的放电闭合开关应用场合，如：激光器、高强度照明、放电点火、电磁发射器和雷达调制器等。该器件能在数kV的高压下快速开通，不需要放电电极，具有很长的使用寿命，体积小、价格比较低，可望取代目前尚在应用的高压离子闸流管、引燃管、火花间隙开关或真空开关等。该器件独特的结构和工艺特点是：门-阴极周界很长并形成高度交织的结构，门极面积占芯片总面积的90%，而阴极面积仅占10%；基区空穴-电子寿命很长，门-阴极之间的水平距离小于一个扩散长度。上述两个结构特点确保了该器件在开通瞬间，阴极面积能得到100%的应用。此外，该器件的阴极电极采用较厚的金属层，可承受瞬时峰值电流。3.3新型GTO器件-集成门极换流晶闸管当前已有两种常规GTO的替代品:高功率的IGBT模块、新型GTO派生器件-集成门极换流IGCT晶闸管。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、存贮时间短、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，因为在实际应用中，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6kA/μs。对于开通特性，门极开通电流上升率（diG/dt）也非常重要，可以借助于低的门极驱动电路的电感比较容易实现。IGCT之所以具有上述这些优良特性，是因为在器件结构上对GTO采取了一系列改进措施。它除了采用了阳极短路型的逆导GTO结构以外，主要是采用了特殊的环状门极，其引出端安排在器件的周边