大功率半导体器件的发展与展望

11/2010收稿日期：2009-11-15作者简介：钱照明（1939-），男，教授，博士生导师，目前主要研究领域为电力电子应用技术、电力电子系统电磁兼容和电力电子系统集成等。大功率半导体器件的发展与展望钱照明，盛况（浙江大学，浙江杭州310027）摘要：回顾了现代电力电子器件的发展历史，涉及的器件包括晶闸管、GTO、IGCT、MTO、IGBT、各种改进型的IGBT以及CoolMOS。叙述了采用新型材料的电力电子器件的发展和前景，应用碳化硅和氮化镓材料的功率器件正在迅速地发展，一些器件有望在不远的将来实现商品化，进入电力电子技术市场。关键词：电力电子器件；碳化硅；氮化镓；发展；展望中图分类号：TN31/387文献标识码：A文章编号：1671-8410(2010)01-0001-09DevelopmentandPerspectiveofHighPowerSemiconductorDeviceQIANZhao-ming,SHENGKuang(ZhejiangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310027,China)Abstract:Thedevelopinghistoryofmodernpowerelectronicdeviceisreviewed,whichincludesthyristor,GTO,IGCT,MTO,IGBT,improvedIGBTandCoolMOS.Thedevelopmentandperspectiveofpowerelectronicdevicewithnovelmaterialsareproposed.ThepowerdeviceapplyingSiCandGaNisinaspeedygrowing,someofwhichwillrealizecommercializationinthenearfutureandenterintothetechnologymarketofpowerelectronics.Keywords:powerelectronicdevice;SiC;GaN;development;prospective0引言电力电子器件发展至今已有近60年的历史，随着一代新型电力电子器件的诞生，工业界往往都会掀起一场革命浪潮。新型功率器件及其相关新型半导体材料的研究，一直是电力电子行业极为活跃的领域。一种理想的功率半导体器件，应当具有理想的静态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，具有高的电流密度和低的导通压降；在开关状态和转换时，开、关时间短，能承受高的di/dt和dv/dt，具有低的开关损耗，并具有全控功能。自从20世纪50年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为实现上述理想目标做出了不懈的努力，并已取得了世人瞩目的成就。早期的大功率变流器，如牵引变流器几乎都是基于晶闸管的。到了20世纪80年代中期，4.5kV的GTO得到广泛应用，并成为接下来的10年内大功率变流器的首选器件，一直到IGBT的阻断电压达到3.3kV之后，这个局面才得到改变。与此同时，GTO技术的进一步改进导致了IGCT的问世，它显示出比传统GTO更加显著的优点。目前的GTO开关频率大概为500Hz，由于开关性能的提高，IGCT和大功率IGBT的开通和关断损耗都相对较低，因此可以工作在1～3kHz的开关频率下。至2005年，以晶闸管为代表的半控型器件已达到7×107W/9000V的水平，全控器件也发展到了十分高的水平。当前，功率半导体器件的水平基本稳定在109~1010W·Hz，已逼近了由于寄生二极管制约而能达到的材料极限。1现代大功率半导体器件更高电压、更好开关性能的大功率器件的出现，使在大功率应用场合不必要采用很复杂的电路拓扑，这21/2010大功率半导体器件的发展与展望样就有效地降低了装置的故障率和成本。图1概括了当前市场上最主要的大功率半导体器件及其对应的电压和电流等级。1.1超大功率晶闸管晶闸管是电力电子技术中传统的大功率器件，自问世以来，它的功率容量已提高了近3000倍，其最大的功率等级达12kV/6kA[2，3]。并且晶闸管因可以光触发，故很容易实现串联连接。为阻断13kV电压，提出了一种13kV不对称晶闸管和13kV二极管相串联的新器件概念，并通过使用一种基于N+发射极前的深埋场阻层的场阻（fieldstop）技术，使13kV二极管反向恢复性能得到显著改善[4]。晶闸管的主要的缺点是，不能自关断，只能靠电路本身将其电流置零。因此，晶闸管在关断时需要消耗很大的无功功率。近10多年来，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，由于其高电压、大电流特性——极低的导通损耗和相当低的成本，它在高压直流输电（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然占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，晶闸管仍会在高电压、大电流应用场合得到持续发展。1982年日本日立公司首先研制成功2.5kV/1kA的GTO。目前许多生产商均可提供额定开关功率36MVA(6kV/6kA)用的高压大电流GTO。为了折衷它的导通、开通和关断特性，传统GTO的典型的关断增益仅为3~5。GTO关断期间的不均匀性引起的“挤流效应”使GTO关断期间dv/dt必须限制在500~1000V/μs。为此，人们不得不使用体积大、质量大、价格昂贵的吸收电路。它的其他缺点是门极驱动电路较复杂，并需要较大的驱动功率。但是，其高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量和可以在内部集成一个反并二极管等突出的优点仍使人们对GTO感兴趣。到目前为止,传统的GTO在高压、大功率牵引、工业和电力逆变器中仍是应用得最为普遍的门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6英寸、6kV/6kA以及9kV/10kA。这种GTO采用了大直径均匀结技术和全压接式结构，并通过少子寿命控制技术折衷了导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。由于GTO具有门极全控功能，它正在许多应用领域逐步取代SCR。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[5]，并有可能开发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再上一个台阶。1.2新型全控型器件——集成门极换流晶闸管（IGCT）[6]当前已有两种常规GTO器件的替代品，一种是大功率的IGBT模块；另一种是集成门极换流晶闸管（IGCT）。作为一种新型的大功率器件，IGCT与常规GTO晶闸管相比，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）的总功率损耗低等。IGCT芯片的基本图形和结构与常规GTO类似，但是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，特别是其门、阴极之间的阻抗要比常规GTO的小得多,所以在门极加以负偏压实现关断时，门、阴极间可立即形成耗尽层（图2）。此时从阳极注入基区的主电流可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。不言而喻，关断IGCT时需要提供与主电流相等的瞬时关断电流，这就要求包括IGCT门、阴极在内的门极驱动回路的引线电感十分小。IGCT的另一个重要特点是有一个引线电感极低的与管壳集成在一起的门极驱动器，图3是其门极驱动和器件的外形照片。图中门极驱动器与IGCT管壳之间的距离只有15mm左右，包括IGCT及其门极驱动电路在内的总引线电感量可以减小到GTO电路的1%左右。其改进形式之一称为对称门极换向晶闸管(SGCT)，两者的特性相似，主要应用于电流型PWM中。图1市场上主要功率器件的额定电压与电流[1]Fig.1Ratedvoltageandcurrentofmainpowerdeviceinthemarket[1]31/2010大功率半导体器件的发展与展望IGCT具有损耗低、开关速度快、内部机械部件极少等优点，可以以较低的成本，结构紧凑地、可靠且高效率地用于300kVA~10MVA变流器，而不需要串联或并联。目前研制的IGCT已达到9kV/6kA水平，而6.5kV或者6kA的器件已经开始供应市场了。如采用串联，逆变器功率可扩展到100MVA范围，而用于电力设备。因此，IGCT可望成为大功率高电压低频变流器的优选功率器件之一。但是，从本质上讲，IGCT仍属于GTO系列的延伸，它主要是解决了GTO实际应用中存在的门极驱动的难题。而IGCT门极驱动电路中包含了许多驱动用的MOSFET和许多储能电容器，所以实际上其门极驱动功率消耗仍较大，影响系统的总效率。1.3MOS可关断晶闸管(MTO)开发MOS可关断晶闸管(MTO)的直接目的是，去除IGCT驱动电路中所需的大量MOSFET，这些MOSFET被集成到功率器件的内部。因此MTO外部门极驱动电路的元件更少，最重要的是不再需要IGCT门极驱动电路中的反偏电源，这样器件具有更高的可靠性。测量结果显示，MTO的关断性能得到提高，其关断延迟极短，这点与IGCT相似。图4是MTO的实物图，可以看到MTO的外围并不需要特别复杂的驱动电路。1.4绝缘栅双极型晶体管（IGBT）自1985年绝缘栅双极型晶体管（IGBT）进入实际应用以来，IGBT已经成为功率半导体器件的主流，在10~100kHz的中压、中电流应用范围占有十分重要的地位。IGBT及其模块（包括IPM）已经涵盖了600V~6.6kV的电压和1~3500A的电流范围，应用IGBT模块的100MW级的逆变器也已有商品问世。IGBT是一种电压全控器件，它的开通和关断可以通过门极驱动实现。IGBT相对比较容易驱动，并且门极驱动功率低。IGBT的最大优点是，无需缓冲电路就能工作，并具有限制短路电流的能力。尽管在硬开关下IGBT具有较高的开关损耗，但与带缓冲电路的GTO变流器相比，IGBT变流器的功率密度更高和成本更低。IGBT常常封装成模块形式。一个IGBT模块实际包含很多的IGBT芯片，例如，一个比较典型的3300V/1200A的IGBT模块中就具有60块IGBT裸芯片和450多根连线。这些并联的IGBT裸芯片固定在同一块陶瓷衬底上，可保证良好的绝缘和导热，这类模块可以非常方便地安装在散热器上。但是，这种封装结构使IGBT模块只能采用单面冷却，这增大了在大电流下器件损坏的可能性。由此，进一步开发了陶瓷封装的双面制冷模块，可以为中压大功率应用提供圆盘形密封、双面压接的结构，使它们有同晶闸管和GTO一样的可靠性。大功率的IGBT模块具有一些优良的特性，例如：能实现di/dt和dv/dt的有源控制、有源箝位、易于实现短路电流保护和有源保护等。但是，其高的导通损耗、低的硅有效面积利用率、损坏后会造成开路等缺点局限了大功率IGBT模块在大功率变流器中的实际应用。在过去20多年间，功率MOSFET、IGBT和智能功率模块的迅速发展，使得电力电子装置的功率密度也随着得到了显著的提高。图5是中等功率电力电子装置功率密度逐年提高的示意图。图3IGCT（左）和SGCT（右）的实物图Fig.3ActualpicturesofIGCT(left)andSGCT(right)图4MTO的实物图Fig.4ActualpictureofMTO图2门极关断时，GTO和IGCT门、阴极区耗尽层示意图Fig.2SchematicdiagramofdepletionlayerforgateareaandcathodeareaofGTOandIGCT,whenthegateturnsoff41/2010大功率半导体器件的发展与展望在中小功率应用场合，日本三菱公司最近提出的基于薄晶片LPT技术的反向导通型IGBT（RC-IGBT）和反向阻断型IGBT（RB-IGBT）也具有良好的应用前景，尤其是RB-IGBT，由于其反向阻断能力，特别适合矩阵变流器等需要双向开关的应用场合[5]。1.5改进优化型IGBT