9種常用的功率半導體器件介紹

 電力電子器件（PowerElectronicDevice），又稱為功率半導體器件，用于電能變換和電能控制電路中的大功率（通常指電流為數十至數千安，電壓為數百伏以上）電子器件。可以分為半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶閘管為半控型器件，承受電壓和電流容量在所有器件中最高；電力二極管為不可控器件，結構和原理簡單，工作可靠；還可以分為電壓驅動型器件和電流驅動型器件，其中GTO、GTR為電流驅動型器件，IGBT、電力MOSFET為電壓驅動型器件。

1.MCT（MOSControlledThyristor）：MOS控制晶閘管

MCT是一種新型MOS與雙極復合型器件。如上圖所示。MCT是將MOSFET的高阻抗、低驅動圖MCT的功率、快開關速度的特性與晶閘管的高壓、大電流特型結合在一起，形成大功率、高壓、快速全控型器件。實質上MCT是一個MOS門極控制的晶閘管。它可在門極上加一窄脈沖使其導通或關斷，它由無數單胞并聯而成。它與GTR，MOSFET，IGBT，GTO等器件相比，有如下優點：

（1）電壓高、電流容量大，阻斷電壓已達3000V，峰值電流達1000A，最大可關斷電流密度為6000kA/m2；

（2）通態壓降小、損耗小，通態壓降約為11V；

（3）極高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已達20kV/s，di/dt為2kA/s；

（4）開關速度快，開關損耗小，開通時間約200ns，1000V器件可在2s內關斷；

2.IGCT（IntergratedGateCommutatedThyristors）

IGCT是在晶閘管技術的基礎上結合IGBT和GTO等技術開發的新型器件，適用于高壓大容量變頻系統中，是一種用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導體器件。

IGCT是將GTO芯片與反并聯二極管和門極驅動電路集成在一起，再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接，結合了晶體管的穩定關斷能力和晶閘管低通態損耗的優點。在導通階段發揮晶閘管的性能，關斷階段呈現晶體管的特性。IGCT芯片在不串不并的情況下，二電平逆變器功率0.5~3MW，三電平逆變器1~6MW；若反向二極管分離，不與IGCT集成在一起，二電平逆變器功率可擴至4/5MW，三電平擴至9MW。

目前，IGCT已經商品化，ABB公司制造的IGCT產品的最高性能參數為4［1］5kV/4kA，最高研制水平為6kV/4kA。1998年，日本三菱公司也開發了直徑為88mm的GCT的晶閘管IGCT損耗低、開關快速等優點保證了它能可靠、高效率地用于300kW~10MW變流器，而不需要串聯和并聯。

3.IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor）電子注入增強柵晶體管

IEGT是耐壓達4kV以上的IGBT系列電力電子器件，通過采取增強注入的結構實現了低通態電壓，使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發展。IEGT具有作為MOS系列電力電子器件的潛在發展前景，具有低損耗、高速動作、高耐壓、有源柵驅動智能化等特點，以及采用溝槽結構和多芯片并聯而自均流的特性，使其在進一步擴大電流容量方面頗具潛力。另外，通過模塊封裝方式還可提供眾多派生產品，在大、中容量變換器應用中被寄予厚望。日本東芝開發的IECT利用了電子注入增強效應，使之兼有IGBT和GTO兩者的優點：低飽和壓降，安全工作區（吸收回路容量僅為GTO的十分之一左右），低柵極驅動功率（比GTO低兩個數量級）和較高的工作頻率。器件采用平板壓接式電機引出結構，可靠性高，性能已經達到4.5kV/1500A的水平。

4.IPEM（IntergratedPowerElactronicsModules）：集成電力電子模塊

IPEM是將電力電子裝置的諸多器件集成在一起的模塊。它首先是將半導體器件MOSFET，IGBT或MCT與二極管的芯片封裝在一起組成一個積木單元，然后將這些積木單元迭裝到開孔的高電導率的絕緣陶瓷襯底上，在它的下面依次是銅基板、氧化鈹瓷片和散熱片。在積木單元的上部，則通過表面貼裝將控制電路、門極驅動、電流和溫度傳感器以及保護電路集成在一個薄絕緣層上。IPEM實現了電力電子技術的智能化和模塊化，大大降低了電路接線電感、系統噪聲和寄生振蕩，提高了系統效率及可靠性

5.PEBB（PowerElectricBuildingBlock）

電力電子積木PEBB（PowerElectricBuildingBlock）是在IPEM的基礎上發展起來的可處理電能集成的器件或模塊。PEBB并不是一種特定的半導體器件，它是依照最優的電路結構和系統結構設計的不同器件和技術的集成。典型的PEBB上圖所示。雖然它看起來很像功率半導體模塊，但PEBB除了包括功率半導體器件外，還包括門極驅動電路、電平轉換、傳感器、保護電路、電源和無源器件。PEBB有能量接口和通訊接口。通過這兩種接口，幾個PEBB可以組成電力電子系統。這些系統可以像小型的DC-DC轉換器一樣簡單，也可以像大型的分布式電力系統那樣復雜。一個系統中，PEBB的數量可以從一個到任意多個。多個PEBB模塊一起工作可以完成電壓轉換、能量的儲存和轉換、陰抗匹配等系統級功能，PEBB最重要的特點就是其通用性。

6．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。到目前為止，在高壓（VBR》3.3kV）、大功率（0.5～20MVA）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。

7.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。

8.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。

9．高功率溝槽柵結構IGBT（TrenchIGBT）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。