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1、1.8 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件Power Electronics电力电子技术电力电子技术( (第第5 5版版) ) 第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件1.8 1.8 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件1.8.1 静电感应晶体管（静电感应晶体管（SIT） SIT SIT是一种多子导电的单极型器件，具有输出功率大、是一种多子导电的单极型器件，具有输出功率大、输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力强等输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力强等优点；优点； SITSIT广泛用于高频感应加热设备广泛用于高频感应加热设备( (例如例如200kHz200kHz、
2、200kW200kW的的高频感应加热电源高频感应加热电源) )。并适用于高音质音频放大器、大功率。并适用于高音质音频放大器、大功率中频广播发射机、电视发射机、差转机微波以及空间技术中频广播发射机、电视发射机、差转机微波以及空间技术等领域。等领域。1 1、SITSIT的工作原理的工作原理 1 1）结构：）结构：SITSIT为为三层结构三层结构，其元胞结构图，其元胞结构图如图如图1.8.1(a)1.8.1(a)所示，其三个电极分别为所示，其三个电极分别为栅极栅极G G，漏极，漏极D D和源极和源极S S。其表示符号如图。其表示符号如图1.8.1 (b)1.8.1 (b)所示。所示。 2 2）分类：
3、）分类：SITSIT分分N N沟道、沟道、P P沟道沟道两种，箭头两种，箭头向外的为向外的为NSITNSIT，箭头向内的为，箭头向内的为PSITPSIT。3）导通、关断：）导通、关断：SIT为常开器件，即栅源电压为零时，两栅极之间的导电沟道使漏极为常开器件，即栅源电压为零时，两栅极之间的导电沟道使漏极D-S之间的导通。则之间的导通。则SIT导通导通；当；当加上负栅源电压加上负栅源电压-UGS时，栅源间时，栅源间PN结产生耗尽层。随着负偏压结产生耗尽层。随着负偏压-UGS的增加，其耗尽层加宽，漏源间导电沟道变窄。的增加，其耗尽层加宽，漏源间导电沟道变窄。当当UGS=UP(夹断电压夹断电压)时，导
4、电沟道被耗尽层所夹断，时，导电沟道被耗尽层所夹断，SIT关断关断。SIT的漏极电流的漏极电流ID不但受栅极电压不但受栅极电压UGS控制，同控制，同时还受漏极电压时还受漏极电压UDS控制。控制。 图图1.8.1 SIT1.8.1 SIT的结构及其符号的结构及其符号 1.8.1 静电感应晶体管（静电感应晶体管（SIT） 2 2、SITSIT的特性的特性 静态伏安特性曲线静态伏安特性曲线（N N沟道沟道SITSIT）：当栅源电压）：当栅源电压U UGSGS一定时，随一定时，随着漏源电压着漏源电压UDSUDS的增加，漏极电流的增加，漏极电流I ID D也线性增加，其大小由也线性增加，其大小由SITSI
5、T的通的通态电阻所决定态电阻所决定 ； SITSIT采用采用垂直导电结构垂直导电结构, ,其导电其导电沟道短而宽沟道短而宽, ,适应于高电压适应于高电压, ,大电大电流的场合；流的场合； SITSIT的漏极电流具有的漏极电流具有负温度系负温度系数数, ,可避免因温度升高而引起的恶可避免因温度升高而引起的恶性循环；性循环； 图图1.8.2 N-SIT1.8.2 N-SIT静态静态 伏安特性曲线伏安特性曲线1.8.1 静电感应晶体管（静电感应晶体管（SIT） SIT SIT的漏极电流通路上不存在的漏极电流通路上不存在PNPN结结, ,一般不会发生热不稳定性和一般不会发生热不稳定性和二次击穿现象二次
6、击穿现象, ,其其安全工作区范围较宽安全工作区范围较宽； SITSIT是短沟道多子器件是短沟道多子器件, ,无电荷积累效应无电荷积累效应, ,它的开关速度相当快它的开关速度相当快, ,适应于高频场合；适应于高频场合； SITSIT的的栅极驱动电路比较简单栅极驱动电路比较简单：关断：关断SITSIT需加数十伏的负栅压需加数十伏的负栅压- -UGS , UGS , 使使SITSIT导通，也可以加导通，也可以加5 56V6V的正栅偏压的正栅偏压+UGS,+UGS,以降低器件的以降低器件的通态压降；通态压降；2 2、SITSIT的特性的特性 图图1.8.3 SIT1.8.3 SIT的的 安全工作区安全
7、工作区1.8.1 静电感应晶体管（静电感应晶体管（SIT）1.8.2 静电感应晶闸管（静电感应晶闸管（SITH） SITH SITH它自它自1972年开始研制并生产年开始研制并生产； 优点：优点：与与GTO相比，相比，SITH的的通态电阻小、通态通态电阻小、通态压降低、开关速度快、损耗小、压降低、开关速度快、损耗小、 及及 耐量耐量高等；高等； 应用：应用：应用在直流调速系统，高频加热电源和应用在直流调速系统，高频加热电源和开关电源等领域；开关电源等领域； 缺点：缺点：SITH制造工艺复杂，成本高；制造工艺复杂，成本高； dtdidtdu1、SITH的工作原理的工作原理 1 1）结构：）结构：
8、在在SITSIT的结构的基础上再增加一的结构的基础上再增加一个个P P+ +层即形成了层即形成了SITHSITH的元胞结构，如图的元胞结构，如图2.8.4(a)2.8.4(a)。2 2）三极：）三极：阳极阳极A A、阴极、栅极、阴极、栅极G G，3 3）原理：）原理：栅极开路，在阳极和阴极之间加栅极开路，在阳极和阴极之间加正向电压，有电流流过正向电压，有电流流过SITHSITH； 在栅极在栅极G G和阴极和阴极K K之间加负电压，之间加负电压，G-KG-K之间之间PNPN结反偏，在两个栅极区之间的导结反偏，在两个栅极区之间的导电沟道中出现耗尽层，电沟道中出现耗尽层，A-KA-K间电流被夹间电流
9、被夹断，断，SITHSITH关断；关断； 栅极所加的负偏压越高，可关断的栅极所加的负偏压越高，可关断的阴极电流也越大。阴极电流也越大。 图图1.8.4 SITH1.8.4 SITH元胞元胞 结构其及符号结构其及符号1.8.2 静电感应晶闸管（静电感应晶闸管（SITH） 特性曲线的正向偏置部分与特性曲线的正向偏置部分与SIT相相似。栅极负压似。栅极负压-UGK可控制阳极电流关可控制阳极电流关断，已关断的断，已关断的SITH，A-K间只有很小间只有很小的漏电流存在。的漏电流存在。 SITH 为场控少子器件，其动态特为场控少子器件，其动态特性比性比GTO优越。优越。SITH的电导调制作的电导调制作用
10、使它比用使它比SIT的通态电阻小、压降低、的通态电阻小、压降低、电流大，但因器件内有大量的存储电电流大，但因器件内有大量的存储电荷，荷， 所以它的关断时间比所以它的关断时间比SIT要长、要长、工作频率要低。工作频率要低。 图图1.8.5 SITH1.8.5 SITH的伏安的伏安 特性曲线特性曲线2、SITH的特性的特性：静态伏安特性曲线：静态伏安特性曲线：1.8.2 静电感应晶闸管（静电感应晶闸管（SITH） 1.8.3 MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT） MCTMCT自自2020世纪世纪8080年代末问世，已生产出年代末问世，已生产出300A/2000V300A/2000V、1000A/
11、1000V1000A/1000V的器件；的器件； 结构：结构：是晶闸管是晶闸管SCR和场效应管和场效应管MOSFET复合而成的新复合而成的新型器件，其型器件，其主导元件主导元件SCR，控制元件是，控制元件是MOSFET； 特点：特点：耐高电压、大电流、通态压降低、输入阻抗高、耐高电压、大电流、通态压降低、输入阻抗高、驱动功率小、开关速度高；驱动功率小、开关速度高； 1 1）结构：）结构： MCT MCT是在是在SCRSCR结构中集成一对结构中集成一对MOSFETMOSFET构成构成的，通过的，通过MOSFETMOSFET来控制来控制SCRSCR的的导通导通和和关断。关断。使使MCTMCT导通的
12、导通的MOSFETMOSFET称为称为ON-FETON-FET，MCTMCT关断的关断的MOSFETMOSFET称为称为OFF-FETOFF-FET。 MCT MCT的元胞有两种结构类型，一种为的元胞有两种结构类型，一种为N-N-MCTMCT，另一种为另一种为P-MCTP-MCT。三个电极称为栅。三个电极称为栅极极G G、阳极、阳极A A和阴极和阴极K K。 图中图中(a)(a)为为P-MCTP-MCT的典型结构，图的典型结构，图(b)(b)为为其等效电路，图其等效电路，图(c)(c)是它的表示符号是它的表示符号(N-(N-MCTMCT的表示符号箭头反向的表示符号箭头反向) )。 对于对于N-
13、MCTN-MCT管，要将图中各区的半导体管，要将图中各区的半导体材料用相反类型的半导体材料代替，并材料用相反类型的半导体材料代替，并将上方的阳极变为阴极，而下方的阴极将上方的阳极变为阴极，而下方的阴极变为阳极。变为阳极。 图图1.8.6 P-MCT的结构、的结构、 等效电路和符号等效电路和符号1、MCT的工作原理的工作原理1.8.3 MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT） 控制信号：控制信号：用双栅极控制，栅极信号以用双栅极控制，栅极信号以阳极为基准；阳极为基准； 导通：导通：当栅极相对于阳极加负脉冲电压当栅极相对于阳极加负脉冲电压时，时，ON-FETON-FET导通，其漏极电流使导通，其漏极
14、电流使NPNNPN晶体管晶体管导通。导通。NPNNPN晶体管的导通又使晶体管的导通又使PNPPNP晶体管导通晶体管导通且形成正反馈触发过程，最后导致且形成正反馈触发过程，最后导致MCTMCT导通；导通； 关断：关断：当栅极相对于阳极施加正脉冲电当栅极相对于阳极施加正脉冲电压时，压时，OFF-FETOFF-FET导通，导通，PNPPNP晶体管基极电流中晶体管基极电流中断断, PNP, PNP晶体管中电流的中断破坏了使晶体管中电流的中断破坏了使MCTMCT导通的正反馈过程，于是导通的正反馈过程，于是MCTMCT被关断。被关断。 其中：其中：1 1）导通的）导通的MCTMCT中晶闸管流过主电中晶闸管
15、流过主电流，而触发通道只维持很小的触发电流。流，而触发通道只维持很小的触发电流。 2 2）使）使P-MCTP-MCT触发导通的栅极相对阳极的负脉触发导通的栅极相对阳极的负脉冲幅度一般为冲幅度一般为-5-5-15V-15V，使其关断的栅极相，使其关断的栅极相对于阳极的正脉冲电压幅度一般为对于阳极的正脉冲电压幅度一般为+10V+10V。 对于对于N-MCTN-MCT管管 ，其工作原理刚好相反。，其工作原理刚好相反。 2 2）工作原理（）工作原理（P-MCTP-MCT）图图1.8.6 P-MCT的结构、的结构、 等效电路和符号等效电路和符号1.8.3 MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT） (1)
16、阻断电压高阻断电压高(达达3000V)、峰值电流大、峰值电流大(达达1000A)、最大可、最大可关断电流密度为关断电流密度为6000Acm2;(2) 通态压降小通态压降小(为为IGBT的的13，约，约2.1V);(3) 开关速度快、损耗小，工作频率可达开关速度快、损耗小，工作频率可达20kHz;(4) 极高的极高的dudt和和didt耐量耐量(du/ dt耐量耐量20kV/s，di/ dt耐量达耐量达2kA/s);(5) 工作允许温度高工作允许温度高(达达200以上以上); (6) 驱动电路简单驱动电路简单;2 2、MCTMCT的特性的特性 （兼有（兼有MOS器件和双极型器件的优点）器件和双极
17、型器件的优点） 1.8.3 MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT） （7 7）安全工作区：）安全工作区：MCTMCT无正偏安全无正偏安全工作区，只有反偏安全工作区工作区，只有反偏安全工作区RBSOARBSOA； RBSOA与结温有关，反映与结温有关，反映MCT关断时电压和电流的极限容量。关断时电压和电流的极限容量。 （8 8）保护装置：）保护装置：MCT可用简单的熔可用简单的熔断器进行断器进行短路保护短路保护。因为当工作电。因为当工作电压超出压超出RBSOA时器件会失效，但时器件会失效，但当峰值可控电流超出当峰值可控电流超出RBSOA时，时，MCT不会像不会像GTO那样损坏，只是不那样损坏，只
18、是不能用栅极信号关断。能用栅极信号关断。图图1.8.7 MCT1.8.7 MCT的的RBSOARBSOA2 2、MCTMCT的特性的特性1.8.3 MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT） 1.8.4 MOS控制晶闸管控制晶闸管IGCT/GCT） IGCT ：（Integrated Gate-Commutated Thyristor）也称也称GCT（Gate-Commutated Thyristor）。）。 20世纪世纪90年代后期出现。结合了年代后期出现。结合了IGBT与与GTO的优点，的优点，容量与容量与GTO相当，开关速度快相当，开关速度快10倍，且可省去倍，且可省去GTO庞大庞大而复杂的
19、缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大。而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大。 IGCT可望成为高功率高电压低频电力电子装置的优选可望成为高功率高电压低频电力电子装置的优选功率器件之一。功率器件之一。 1.8.5 碳化硅大功率电力电子器件及其应用碳化硅大功率电力电子器件及其应用n碳化硅的禁带宽度比硅材料的禁带宽度要大很多，显然，碳化硅材料更适合制造电力电子器件。 n试验还证明： 在较低的击穿电压（50V）情况下，单极SiC器件的通态电阻小于硅器件的1/100， 在较高的击穿电压（5000V）的条件下，单极SiC器件的通态电阻小于硅器件的1/300； 碳化硅功率开关器件工作温度超过600时
20、，其电学特性变化不大，这表明它能同时工作在高压、高温条件下。n除了用碳化硅材料制造电力二极管以外，它还是目前唯一可以使用热氧化法生成高品质氧化物化合物半导体。因此，它可以像硅材料一样用来制造MOSFET和IGBT这类含有MOS结构的器件1. 碳化硅的特性碳化硅的特性碳化硅二极管 碳化硅二极管与Si二极管相比，具有很小的反向恢复电流和极短的反向恢复时间。2006年，美国Cree公司用4H-SiC研制出了180A/4500V的pin二极管，其通态压降为3.17V；2008年，日本Rohm公司制造了300A/660V的4H-SiC肖特基二极管，通态压降为1.5V； 碳化硅MOSFET 碳化硅MOSF
21、ET其结构与硅功率MOSFET没有太大区别，具有理想的栅极绝缘特性、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性，驱动电路非常简单，与硅功率MOSFET驱动电路完全兼容。用6H-SiC和4H-SiC制造功率MOSFET，其通态电阻可以比同等级的硅功率MOSFET分别低100倍和2000倍。2006年，美国Cree公司制作出5A/10kV的4H-SiC MOSFET，其通态压降为3.76V；2009年多种功率等级系列化的SiC MOSFET已经量产，并广泛应用到光伏逆变器、风电并网逆变器、电动汽车充电机等领域。1.8.5 碳化硅大功率电力电子器件及其应用碳化硅大功率电力电子器件及其应用2.碳化硅电力电子
22、器件特点与应用碳化硅电力电子器件特点与应用碳化硅GTO 碳化硅晶闸管(SiC GTO)与硅晶闸管(Si GTO)结构类似，也设计成pnpn。其开关频率、功率等级和耐高温特性方面最能发挥碳化硅材料的特长。因为SiC材料禁带宽度大、临界电场强度高和热传导率高，SiC GTO在高温下工作时，比传统的Si GTO有更快的开关响应速度和更高的阻断能力；碳化硅器件同时具有开关速度快和通态损耗低的特点，不需要像硅器件那样，在快开关速度和通态压降间进行折衷；对3000V以上阻断电压，碳化硅GTO的通态电流密度可以高出硅晶闸管几个数量级，特别适合制作交流开关和直流开关；另外，碳化硅晶闸管在大电流条件下的通态压降
23、具有正温度特性，这样就会像功率MOSFET器件那样能够自动均流，有利于器件的并联使用。 碳化硅IGBT 碳化硅MOSFET器件的通态电阻过高，在10kV以下的应用中，碳化硅IGBT相对于碳化硅MOSFET的优势并不十分明显。在15 kV以上的应用领域，碳化硅IGBT综合了功耗低和开关速度快的特点，相对于碳化硅的MOSFET以及硅基的IGBT器件具有明显的技术优势，特别适合于高压电力系统领域。新型高温高压碳化硅IGBT器件将对大功率应用，特别是电力系统的应用产生重大的影响。可以预见，高压碳化硅IGBT器件将和pin二极管器件一起，成为下一代智能电网技术中核心的电力电子器件。1.8.5 碳化硅大功
24、率电力电子器件及其应用碳化硅大功率电力电子器件及其应用2.碳化硅电力电子器件特点与应用碳化硅电力电子器件特点与应用 碳化硅IGCT 门极换流自关断晶闸管(IGCT)兼有GTO和IGBT的特长，因为高压输电设备中特别需要耐压12.5kV以上的高压大电流开关器件，而硅器件很难满足这个要求。目前，SiC功率器件中，单芯片最大电流容量的器件是SiC IGCT。2006年，日本关西电力公司与美国Cree联合研制的ICGT其额定电流可达200A，室温下的通态压降(电流120A)小于5V，4.5kV阻断电压下的高温(250)漏电流密度不到5A/cm2。该器件有很好的动态特性，其开通时间为0.3s，关断时间为
25、1.7s。目前，SiC ICGT已成功应用于180kVA三相变频器中。 碳化硅功率模块 全球大型电力电子器件企业都在着重研究碳化硅功率模块，它已经在一些高端领域(包括高功率密度电能转换、高性能电机驱动等)实现了初步应用，并具有广阔的应用前景和市场潜力。1.8.5 碳化硅大功率电力电子器件及其应用碳化硅大功率电力电子器件及其应用2.碳化硅电力电子器件特点与应用碳化硅电力电子器件特点与应用1.8.6 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 20 20世纪世纪8080年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。装在一个模块中，称
26、为功率模块。 缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。 对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。对保护和缓冲电路的要求。 将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（Power Power Integrated CircuitIntegrated CircuitPICPIC）。）。 功率集成电路的还有许多名称，但实际上各有侧重功率集成电路的还
27、有许多名称，但实际上各有侧重: 高压集成电路高压集成电路（High Voltage IC，简称，简称HVIC，一般指，一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成）横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成）; 智能功率集成电路智能功率集成电路（Smart Power IC，简称，简称SPIC，一，一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成）般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成）; 智能功率模块智能功率模块（Intelligent Power Module，简称，简称IPM，专指专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，
28、也称智能也称智能IGBT）。）。1.8.6 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 1.8.6 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 图（图（a）、（）、（b）是晶闸管、整流二极管桥臂模块和电桥模块）是晶闸管、整流二极管桥臂模块和电桥模块内部电连接图，图（内部电连接图，图（c）是模块的外形图。图中单相和三相电桥）是模块的外形图。图中单相和三相电桥模块可带续流二极管，亦可不带续流二极管，因此图中续流二极模块可带续流二极管，亦可不带续流二极管，因此图中续流二极管用虚线连接表示。管用虚线连接表示。1、晶闸管和整流二极管模块、晶闸管和整流二极管模块图图1.8.8 晶闸管、整流二极管桥臂模
29、块和晶闸管、整流二极管桥臂模块和电桥模块内部点连接图及外形图电桥模块内部点连接图及外形图1.8.6 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 将多个将多个IGBT芯片按要求连接成特定的电路，并与辅助电芯片按要求连接成特定的电路，并与辅助电路共同封装在一个绝缘的树脂外壳内构成路共同封装在一个绝缘的树脂外壳内构成IGBT模块。目前模块。目前 ，IGBT模块有一单元、二单元、四单元、六单元和七单元的模块有一单元、二单元、四单元、六单元和七单元的标准型模块。其最高水平已达到标准型模块。其最高水平已达到1800A/4500V。2、IGBT模块模块图图1.8.9 300A/1700V IGBT模块的外
30、形封装和等效电路图模块的外形封装和等效电路图1.8.6 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 由于由于IGBT是电压驱动的，因此是电压驱动的，因此驱动功率小，并可用集成电路来实驱动功率小，并可用集成电路来实现驱动和控制，把现驱动和控制，把IGBT芯片，快恢芯片，快恢复二极管芯片，控制和驱动电路，复二极管芯片，控制和驱动电路，过压、过流、过热和欠压保护电路、过压、过流、过热和欠压保护电路、钳位电路以及自诊断电路等封装在钳位电路以及自诊断电路等封装在同一绝缘外壳内就构成了智能化同一绝缘外壳内就构成了智能化IGBT模（模（IPM)。 由于由于IPM均采用标准化得具有逻均采用标准化得具有逻辑电平的门控接口，使辑电平的门控接口，使IPM能很方便能很方便与控制电路板相连接。与控制电路板相连接。IPM在故障情在故障情况下的自保护能力，降低了器件在况下的自保护能力，降低了器件在开发和使用中损坏的几率，大大提开发和使用中损坏的几率，大大提高了整机的可靠性。高了整机的可靠性。 图（图（a）为）为IPM模块的外形封装模块的外形封装图，图图，图1.8.10(b)是它的内部功能框是它的内部功能框图。图。3、智能功率模块、智能功率模块IPM图图 1.8.10 IPM 模块的外型封装图和模块的外型封装图和内部功能框图内部功能框图