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    電力電子器件的最新發展


    發表時間 2006-03-31 19:48   瀏覽次數(2909)


    來源:中國自動化網

    現代的電力電子技術無論對改造傳統工業(電力、機械、礦冶、交通、化工、輕紡等),還是對新建高技術產業(航天、激光、通信、機器人等)至關重要,從而已迅速發展成為一門獨立學科領域。它的應用領域幾乎涉及到國民經濟的各個工業部門,毫無疑問,它將成為本世紀乃至下世紀重要關鍵技術之一。近幾年西方發達的國家,盡管總體經濟的增長速度較慢,電力電子技術仍一直保持著每年百分之十幾的高速增長。
      從歷史上看,每一代新型電力電子器件的出現,總是帶來一場電力電子技術的革命。以功率器件為核心的現代電力電子裝置,在整臺裝置中通常不超過總價值的20%~30%,但是,它對提高裝置的各項技術指標和技術性能,卻起著十分重要的作用。
      眾所周知,一個理想的功率器件,應當具有下列理想的靜態和動態特性:在截止狀態時能承受高電壓;在導通狀態時,具有大電流和很低的壓降;在開關轉換時,具有短的開、關時間,能承受高的di/dt和dv/dt,以及具有全控功能。
      自從50年代,硅晶閘管問世以后,20多年來,功率半導體器件的研究工作者為達到上述理想目標做出了不懈的努力,并已取得了使世人矚目的成就。60年代后期,可關斷晶閘管GTO實現了門極可關斷功能,并使斬波工作頻率擴展到1kHz以上。70年代中期, 高功率晶體管和功率 MOSFET問世,功率器件實現了場控功能,打開了高頻應用的大門。80年代,絕緣柵門控雙極型晶體管 (IGBT) 問世,它綜合了功率 MOSFET和雙極型功率晶體管兩者的功能。它的迅速發展,又激勵了人們對綜合功率MOSFET和晶閘管兩者功能的新型功率器件- MOSFET門控晶閘管的研究。因此,當前功率器件研究工作的重點主要集中在研究現有功率器件的性能改進、MOS門控晶閘管以及采用新型半導體材料制造新型的功率器件等。下面就近幾年來上述功率器件的最新發展加以綜述。
      一、 功率晶閘管的最新發展
      1.超大功率晶閘管
      晶閘管(SCR)自問世以來, 其功率容量提高了近3000倍。現在許多國家已能穩定生產????mm、8kV / 4kA的晶閘管。日本現在已投產8kV / 4kA和6kV / 6kA的光觸發晶閘管(LTT)。美國和歐洲主要生產電觸發晶閘管。近十幾年來,由于自關斷器件的飛速發展,晶閘管的應用領域有所縮小,但是,由于它的高電壓、大電流特性,它在HVDC、靜止無功補償(SVC)、大功率直流電源及超大功率和高壓變頻調速應用方面仍占有十分重要的地位。預計在今后若干年內,晶閘管仍將在高電壓、大電流應用場合得到繼續發展。
      現在,許多生產商可提供額定開關功率36MVA ( 6kV/ 6kA )用的高壓大電流GTO。傳統GTO的典型的關斷增量僅為3~5。GTO關斷期間的不均勻性引起的“擠流效應”使其在關斷期間dv/dt必須限制在500~1kV/μs。為此,人們不得不使用體積大、昂貴的吸收電路。另外它的門極驅動電路較復雜和要求較大的驅動功率。但是,高的導通電流密度、高的阻斷電壓、阻斷狀態下高的dv/dt耐量和有可能在內部集成一個反并二極管,這些突出的優點仍使人們對GTO感到興趣。到目前為止, 在高壓(VBR > 3.3kV )、大功率(0.5~20 MVA)牽引、工業和電力逆變器中應用得最為普遍的是門控功率半導體器件。目前,GTO的最高研究水平為6in、6kV / 6kA以及9kV/10kA。為了滿足電力系統對1GVA以上的三相逆變功率電壓源的需要,近期很有可能開發出10kA/12kV的GTO,并有可能解決30多個高壓GTO串聯的技術,可望使電力電子技術在電力系統中的應用方面再上一個臺階。
      2.脈沖功率閉合開關晶閘管
      該器件特別適用于傳送極強的峰值功率(數MW)、極短的持續時間(數ns)的放電閉合開關應用場合,如:激光器、高強度照明、放電點火、電磁發射器和雷達調制器等。該器件能在數kV的高壓下快速開通,不需要放電電極,具有很長的使用壽命,體積小、價格比較低,可望取代目前尚在應用的高壓離子閘流管、引燃管、火花間隙開關或真空開關等。
      該器件獨特的結構和工藝特點是:門-陰極周界很長并形成高度交織的結構,門極面積占芯片總面積的90%,而陰極面積僅占10%;基區空穴-電子壽命很長,門-陰極之間的水平距離小于一個擴散長度。上述兩個結構特點確保了該器件在開通瞬間,陰極面積能得到100%的應用。此外,該器件的陰極電極采用較厚的金屬層,可承受瞬時峰值電流。
      3.新型GTO器件-集成門極換流晶閘管 
      當前已有兩種常規GTO的替代品:高功率的IGBT模塊、新型GTO派生器件-集成門極換流IGCT晶閘管。IGCT晶閘管是一種新型的大功率器件,與常規GTO晶閘管相比,它具有許多優良的特性,例如,不用緩沖電路能實現可靠關斷、存貯時間短、開通能力強、關斷門極電荷少和應用系統(包括所有器件和外圍部件如陽極電抗器和緩沖電容器等)總的功率損耗低等。
      在上述這些特性中,優良的開通和關斷能力是特別重要的方面,因為在實際應用中,GTO的應用條件主要是受到這些開關特性的局限。眾所周知,GTO的關斷能力與其門極驅動電路的性能關系極大,當門極關斷電流的上升率(diGQ/dt)較高時,GTO晶閘管則具有較高的關斷能力。一個4.5kV/4kA的IGCT與一個4.5kV/4kA的GTO的硅片尺寸類似,可是它能在高于6kA的情況下不用緩沖電路加以關斷,它的diGQ/dt高達6kA/μs。對于開通特性,門極開通電流上升率(diG/dt)也非常重要,可以借助于低的門極驅動電路的電感比較容易實現。IGCT之所以具有上述這些優良特性,是因為在器件結構上對GTO采取了一系列改進措施。圖1是IGCT管餅和芯片的外形照片,芯片的基本圖形和結構與常規GTO類似,但是它除了采用了陽極短路型的逆導GTO結構以外,主要是采用了特殊的環狀門極,其引出端安排在器件的周邊,特別是它的門、陰極之間的距離要比常規GTO的小得多, 所以在門極加以負偏壓實現關斷時, 門、陰極間可立即形成耗盡層, 如圖2所示。這時,從陽極注入基區的主電流,則在關斷瞬間全部流入門極, 關斷增益為1, 從而使器件迅速關斷。不言而喻, 關斷IGCT時需要提供與主電流相等的瞬時關斷電流, 這就要求包括IGCT門陰極在內的門極驅動回路必須具有十分小的引線電感。實際上,它的門極和陰極之間的電感僅為常規GTO的1/10。
      IGCT的另一個特點是有一個極低的引線電感與管餅集成在一起的門極驅動器。IGCT用多層薄板狀的襯板與主門極驅動電路相接。門極驅電路則由襯板及許多并聯的功率MOS管和放電電容器組成。包括IGCT及其門極驅動電路在內的總引線電感量可以減小到GTO的1/100,表1是IGCT的電特性參數。
      目前,4.5kV (1.9kV/2.7kV 直流鏈)及 5.5kV (3.3kV直流鏈)、 275A   有效硅面積小、低損耗、快速開關這些優點保證了IGCT能可靠、高效率地用于300 kVA~10MVA變流器,而不需要串聯或并聯。在串聯時,逆變器功率可擴展到100MVA。雖然高功率的IGBT模塊具有一些優良的特性,如能實現di/dt和dv/dt 的有源控制、有源箝位、易于實現短路電流保護和有源保護等。但因存在著導通高損耗、硅有效面積低利用率、損壞后造成開路以及無長期可靠運行數據等缺點,限制了高功率IGBT模塊在高功率低頻變流器中的實際應用。因此在大功率MCT未問世以前,IGCT可望成為高功率高電壓低頻變流器的優選功率器件之一。
      二、IGBT模塊的最新發展
      1.高功率溝槽柵結構IGBT(Trench IGBT) 模塊
      當今高功率IGBT模塊中的IGBT元胞通常多采用溝槽柵結構IGBT。與平面柵結構相比,溝槽柵結構通常采用1μm加工精度,從而大大提高了元胞密度。由于門極溝的存在,消除了平面柵結構器件中存在的相鄰元胞之間形成的結型場效應晶體管效應,同時引入了一定的電子注入效應,使得導通電阻下降。為增加長基區厚度、提高器件耐壓創造了條件。所以近幾年來出現的高耐壓大電流IGBT器件均采用這種結構。
      1996年日本三菱和日立公司分別研制成功3.3kV/1.2kA 巨大容量的IGBT模塊。它們與常規的GTO相比,開關時間縮短了20%,柵極驅動功率僅為GTO的1/1000。1997年富士電機研制成功1kA/2.5kV平板型IGBT,由于集電、發射結采用了與GTO類似的平板壓接結構,采用更高效的芯片兩端散熱方式。特別有意義的是,避免了大電流IGBT模塊內部大量的電極引出線,提高了可靠性和減小了引線電感,缺點是芯片面積利用率下降。所以這種平板壓接結構的高壓大電流IGBT模塊也可望成為高功率高電壓變流器的優選功率器件。
      2.新型大功率IGBT模塊 - 電子注入增強柵晶體管IEGT(Injection Enhanced Gate Trangistor)
      近年來,日本東芝公司開發了IEGT,與IGBT一樣,它也分平面柵和溝槽柵兩種結構,前者的產品即將問世,后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO兩者的某些優點:低的飽和壓降,寬的安全工作區(吸收回路容量僅為GTO的1/10左右),低的柵極驅動功率(比GTO低2個數量級)和較高的工作頻率。加之該器件采用了平板壓接式電極引出結構,可望有較高的可靠性。
      IEGT之所以有前述這些優良的特性,是由于它利用了“電子注入增強效應"。為了簡要說明這一效應,將IGBT及IEGT單胞示意圖示于圖4。與IGBT相比,IEGT結構的主要特點是柵極長度Lg較長,N長基區近柵極側的橫向電阻值較高,因此從集電極注入N長基區的空穴,不像在IGBT中那樣,順利地橫向通過P區流入發射極,而是在該區域形成一層空穴積累層。為了保持該區域的電中性,發射極必須通過N溝道向N長基區注入大量的電子。這樣就使N長基區發射極側也形成了高濃度載流子積累,在N長基區中形成與GTO中類似的載流子分布,從而較好地解決了大電流、高耐壓的矛盾。目前該器件已達到4.5kV /1kA的水平。
      三、MOS門控晶閘管
      MOS門極控制晶閘管充分地利用晶閘管良好的通態特性、優良的開通和關斷特性,可望具有優良的自關斷動態特性、非常低的通態電壓降和耐高壓,成為將來在電力裝置和電力系統中有發展前途的高壓大功率器件。目前世界上有十幾家公司在積極開展對MCT的研究。 MOS門控晶閘管主要有三種結構:MOS場控晶閘管(MCT)、基極電阻控制晶閘管(BRT)及射極開關晶閘管(EST)。其中EST可能是 MOS門控晶閘管中最有希望的一種結構。但是,這種器件要真正成為商業化的實用器件,達到取代GTO的水平,還需要相當長的一段時間。
      四、采用新型半導體材料制造的新型功率器件
      至今,硅材料功率器件已發展得相當成熟。為了進一步實現人們對理想功率器件特性的追求,越來越多的功率器件研究工作轉向了對用新型半導體材料制作新型半導體功率器件的探求。研究表明,砷化鎵FET和肖特基整流器可以獲得十分優越的技術性能。Collins et al公司 用GaAs VFETs 制成了10MHz PWM 變換器,其功率密度高達500W/in3。高壓(600V)砷化鎵高頻整流二極管近年來也有所突破,SiC材料和功率器件的研究工作十分活躍。
      1.高壓砷化鎵高頻整流二極管
      隨著變換器開關頻率的不斷提高,對快恢復二極管的要求也隨之提高。眾所周知,砷化鎵二極管具有比硅二極管優越的高頻開關特性,但是由于工藝技術等方面的原因,砷化鎵二極管的耐壓較低,實際應用受到局限。為適應高壓、高速、高效率和低EMI應用需要,高壓砷化鎵高頻整流二極管已在Motorola 公司研制成功。與硅快恢復二極管相比,這種新型二極管的顯著特點是:反向漏電流隨溫度變化小、開關損耗低、反向恢復特性好。兩者比較結果示于表3 。
      ●碳化硅與碳化硅 ( SiC ) 功率器件
      在用新型半導體材料制成的功率器件中,最有希望的是碳化硅 ( SiC ) 功率器件。它的性能指標比砷化鎵器件還要高一個數量級,碳化硅與其他半導體材料相比,具有下列優異的物理特點: 高的禁帶寬度,高的飽和電子漂移速度,高的擊穿強度,低的介電常數和高的熱導率。上述這些優異的物理特性,決定了碳化硅在高溫、高頻率、高功率的應用場合是極為理想的半導體材料。在同樣的耐壓和電流條件下,SiC器件的漂移區電阻要比硅低200倍,即使高耐壓的 SiC場效應管的導通壓降,也比單極型、雙極型硅器件的低得多。而且,SiC器件的開關時間可達10nS量級,并具有十分優越的 FBSOA。
      SiC可以用來制造射頻和微波功率器件,各種高頻整流器,MESFETS、MOSFETS和JFETS等。SiC高頻功率器件已在Motorola公司研發成功,并應用于微波和射頻裝置。GE公司正在開發SiC功率器件和高溫器件(包括用于噴氣式引擎的傳感器)。西屋公司已經制造出了在26GHz頻率下工作的甚高頻的MESFET。ABB公司正在研制高功率、高電壓的SiC整流器和其他SiC低頻功率器件,用于工業和電力系統。
      理論分析表明,SiC功率器件非常接近于理想的功率器件。可以預見,各種SiC器件的研究與開發,必將成為功率器件研究領域的主要潮流之一。但是,SiC材料和功率器件的機理、理論、制造工藝均有大量問題需要解決,它們要真正給電力電子技術領域帶來又一次革命,估計至少還需要十幾年的時間。
      五、結論
      經過人們的不懈努力,雖然硅雙極型及場控型功率器件的研究已趨成熟,但是它們的性能仍在不斷得到提高和改善,近年來出現的IGCT和IEGT可望比MCT更早地取代GTO。采用GaAs,碳化硅等新型半導體材料制成功率器件,實現人們對“理想器件”的追求,將是下個世紀電力電子器件發展的主要趨勢。

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