電力電子半導(dǎo)體器件分類高等電力電子技術(shù)ppt課件

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高 等 電 力 電 子 技 術(shù),Advanced Power Electronics,1,第一章 電力電子半導(dǎo)體器件,,,,,,1,2,3,4,電力電子器件發(fā)展概述,功率MOSFET,絕緣柵雙極型晶體管,基本內(nèi)容,,5,,6,2,1.1 電力電子器件發(fā)展概述,自從1957年底第一代晶閘管SCR面世以來(lái)，電力電子半導(dǎo)體器件發(fā)展迅猛。直到1970年，普通晶閘管開(kāi)始在工業(yè)應(yīng)用中大量用于電力控制。1970年后，各種類型的電力電子半導(dǎo)體器件相繼出現(xiàn)并逐步商業(yè)化。其中，碳化硅器件正在迅速發(fā)展中，而絕大部分實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的器件都是用硅材料制作的。 這些器件大致可以分為三類：①功率二極管，②晶閘管，和③晶體管[1]。隨著電力電子器件的應(yīng)用范圍擴(kuò)大和應(yīng)用場(chǎng)合要求的提升，對(duì)器件的發(fā)展要求也越來(lái)越提高，包括①更高的功率容量，②更低的開(kāi)關(guān)損耗，③更高的開(kāi)關(guān)頻率，④更緊湊的封裝體積，⑤集成以及模塊化設(shè)計(jì)。大多在電力電子器件上應(yīng)用的新技術(shù)都是圍繞這幾點(diǎn)發(fā)展方向來(lái)展開(kāi)的。,,,電力電子半導(dǎo)體器件分類,3,1.1 電力電子器件發(fā)展概述,,電力電子半導(dǎo)體器件應(yīng)用功率等級(jí)分布,電力電子半導(dǎo)體器件應(yīng)用頻率分布,4,常規(guī)應(yīng)用的晶閘管大致有以下幾類：①?gòu)?qiáng)迫換流晶閘管，②門關(guān)斷晶閘管，③反相導(dǎo)通晶閘管（RCT），④靜態(tài)導(dǎo)通晶閘管(SITH)，⑤光觸發(fā)硅控整流器 (LASCR)， ⑥MOS關(guān)斷（MTO）晶閘管，⑦集成門極換流晶閘管（IGCT）和對(duì)稱門極換流晶閘管（SGCT）。 晶閘管的發(fā)展方向同樣是增加單管的功率容量，同時(shí)增加對(duì)器件開(kāi)關(guān)的控制度，這一點(diǎn)在IGCT和SGCT以及光觸發(fā)晶閘管的大量使用中可以很明顯的體現(xiàn)。 IGCT和SGCT是將GTO芯片和門極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，再與其門極驅(qū)動(dòng)器在外圍以低電感方式連接，結(jié)合了晶體管和晶閘管兩種器件的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)GTO器件很難關(guān)斷，必須在門極加一個(gè)約為器件額定電流1/3的驅(qū)動(dòng)電流，并在1內(nèi)將陰極所有的電流抽出，才能確保其快速關(guān)斷。而IGCT關(guān)斷則是一個(gè)很快的瞬態(tài)過(guò)程，器件完全按晶體管模式關(guān)斷，從而保證了完全受控的均勻關(guān)斷，廣泛應(yīng)用于大功率電流型變流器以及變頻器上。,1.1.2 晶閘管,5,電力晶體管有四種類型：①BJT，②電力MOSFET，③IGBT和④SIT。其中IGBT和電力MOSFET是最為廣泛應(yīng)用的電力電子器件，大到直流輸電，小到生活中的各種家用電器，到處都可以見(jiàn)到這兩種器件的身影。由于這兩種器件主要應(yīng)用于中等功率場(chǎng)合，相對(duì)于功率容量的提升，各家器件公司主要將發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)重點(diǎn)放在損耗的降低上，紛紛推出新一代的IGBT和MOSFET器件，其中較為典型的技術(shù)優(yōu)化為溝槽型門極結(jié)構(gòu)和垂直導(dǎo)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用， IGBT方面還有場(chǎng)終止技術(shù)、空穴阻抗技術(shù)等，功率MOSFET方面的典型代表則為“超級(jí)結(jié)”技術(shù)。新的半導(dǎo)體材料在這兩種器件上的應(yīng)用則基本停留在實(shí)驗(yàn)室階段。,1.1.3 電力晶體管,6,功率MOSFET出現(xiàn)在70年代的晚期，它的出現(xiàn)主要來(lái)源于70年代中期MOS技術(shù)的發(fā)展，不同于傳統(tǒng)的雙極性開(kāi)關(guān)管（BJT），MOSFET屬于場(chǎng)效應(yīng)管器件，是一種單極性電壓控制型器件。在導(dǎo)通狀態(tài)下，僅有多數(shù)載流子工作，所以與電流控制型器件相比，所需的驅(qū)動(dòng)功率非常小，并且多數(shù)載流子導(dǎo)電的功率MOSFET顯著減少了開(kāi)關(guān)時(shí)間，因而很容易達(dá)到100KHZ以上的開(kāi)關(guān)頻率，功率MOSFET是低壓（＜200V）范圍內(nèi)最好的開(kāi)關(guān)器件，但在高壓應(yīng)用方面，其最大的特點(diǎn)是導(dǎo)通電阻隨耐壓的2.5次方急劇上升，給高壓功率MOSFET的應(yīng)用帶來(lái)很大困難。所以對(duì)于MOSFET的技術(shù)優(yōu)化基本都從這一點(diǎn)出發(fā)。,1.2 功率MOSFET,7,溝槽技術(shù)最早見(jiàn)于功率放大器和電能轉(zhuǎn)換裝置的功率MOSFET，其在傳統(tǒng)的MOS器件基礎(chǔ)上做出了三項(xiàng)重大改革：1. 垂直的安裝漏極，實(shí)現(xiàn)了垂直導(dǎo)電，將在傳統(tǒng)MOS結(jié)構(gòu)中與源極和柵極同時(shí)水平安裝在硅片頂部的漏極改裝在硅片的底面上，這樣充分利用了硅片面積，基本上實(shí)現(xiàn)了垂直傳導(dǎo)漏源電流，消除了導(dǎo)通電阻中的JFET區(qū)阻抗部分，減小了RCH部分,為獲得大電流容量提供了前提條件。2. 模仿GTR設(shè)置了高電阻率的n-型漂移區(qū)，不僅提高了器件的耐壓容量，而且降低了結(jié)電容，并使溝道長(zhǎng)度穩(wěn)定。3. 采用雙重?cái)U(kuò)散技術(shù)代替光刻工藝控制溝道長(zhǎng)度，可以實(shí)現(xiàn)精確的短溝道，降低溝道電阻值，提高工作速度，并使輸出特性具有良好的線性。,1.2.1 溝槽型MOSFET,8,可以看出，一方面溝槽門極元胞結(jié)構(gòu)對(duì)于降低導(dǎo)通電阻Ron中的JFET區(qū)阻抗和溝槽阻抗部分十分有效，另一方面，MOSFET的承受電壓的增加需要厚的n層，而這會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通電阻中的Rd部分增加，而高電阻率的n-型漂移區(qū)可以減少實(shí)際需要的n層寬度。 通態(tài)導(dǎo)通電阻Ron可表示為： RON=RCS+RN++RCH+RA+RJ+RD+RN++RCD 式中，RCS為源極阻抗；RCH為溝槽阻抗；RJ為JFET區(qū)阻抗；RN+為N+襯底阻抗；RA為緩沖區(qū)阻抗；RD為N-漂移區(qū)阻抗；RCD為漏極阻抗。,1.2.1 溝槽型MOSFET,,溝槽型MOSFET的剖面結(jié)構(gòu)及其電阻分布示意,不過(guò)溝槽門極結(jié)構(gòu)也有一些相伴而生的缺點(diǎn)：①溝道寬度 過(guò)大，會(huì)引起結(jié)電容的增大，影響開(kāi)關(guān)速度；②可能會(huì)引起短 路電流過(guò)大；③技術(shù)上難度較大，會(huì)降低成品率。 另外，溝槽技術(shù)不僅適用于MOSFET，同樣適用于IGBT。,9,正如上面所說(shuō)，在功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的歷史上最重要的問(wèn)題就是尋求如何通過(guò)新的器件結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體材料來(lái)改善耐受電壓和導(dǎo)通壓降之間的矛盾。功率MOSFET作為單極型器件，需要在耐受電壓和導(dǎo)通電阻之間做一個(gè)綜合考慮，同時(shí)在不降低器件性能的前提下減少器件尺寸。 近年來(lái)，一種被稱為“超級(jí)結(jié)”結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)概念被用于MOSFET制造應(yīng)用，并且在改善導(dǎo)通電阻和耐受電壓矛盾方面獲得了顯著的效果。這種結(jié)構(gòu)來(lái)源于電子科技大學(xué)陳星弼院士的中美發(fā)明專利[5]，其主要思想是通過(guò)盡量提高功率器件漂移區(qū)濃度，即通過(guò)在器件不同維度上引入新的電場(chǎng)來(lái)達(dá)到對(duì)漂移區(qū)載流子的有效中和以獲得一定的擊穿電壓。,1.2.2 “超級(jí)結(jié)”結(jié)構(gòu),10,“超級(jí)結(jié)”結(jié)構(gòu)原理圖,1.2.2 “超級(jí)結(jié)”結(jié)構(gòu),,,11,“超級(jí)結(jié)”結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是用N區(qū)與P區(qū)相互交替的形式代替了傳統(tǒng)上必須承擔(dān)擊穿電壓的N-漂移區(qū)，而這種區(qū)域的交替是在水平方向的電場(chǎng)其作用，所以并不影響垂直方向的電場(chǎng)。其剖面結(jié)構(gòu)如圖b所示，當(dāng)“超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)”的MOSFET處于阻斷狀態(tài)時(shí)，由N-漂移區(qū)和柱狀P型區(qū)形成的PN結(jié)邊緣的空間電荷區(qū)不斷擴(kuò)散，最終導(dǎo)致整個(gè)漂移區(qū)被完全耗盡，電勢(shì)分布從源端到漏端線性增加，電場(chǎng)分布趨于理想的均勻分布。這樣阻斷電壓不僅建立起了縱向電場(chǎng)，而且同樣建立起了橫向電場(chǎng)，即實(shí)現(xiàn)更高的阻斷電壓，而不需要降低漂移區(qū)的摻雜濃度，只需要增加N-漂移區(qū)的厚度和P區(qū)的厚度，滿足了擊穿電壓的要求，因此“超級(jí)結(jié)”結(jié)構(gòu)的MOSFET通態(tài)電阻與阻斷電壓之間接近線性關(guān)系。當(dāng)“超級(jí)結(jié)”結(jié)構(gòu)的MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，如圖d所示，電子從源極出發(fā)然后經(jīng)過(guò)N-漂移區(qū)到達(dá)漏極。由于N-漂移區(qū)具有較高的摻雜濃度，所以導(dǎo)通電阻大大減少。,1.2.2 “超級(jí)結(jié)”結(jié)構(gòu),12,理想的“超級(jí)結(jié)”結(jié)構(gòu)特性很好，但工藝上實(shí)現(xiàn)還比較困難，必須通過(guò)多次外延或刻蝕加離子注入的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了規(guī)避這些技術(shù)難題，又提出一些新的方案。例如將“超級(jí)結(jié)”結(jié)構(gòu)與垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)（VDMOS）結(jié)合的 “半超級(jí)結(jié)”結(jié)構(gòu)，這實(shí)際上是通過(guò)MOS系統(tǒng)來(lái)代替PN結(jié)提供額外電場(chǎng)的類“超級(jí)結(jié)”結(jié)構(gòu)，即用蝕刻氧化形成一定厚度的邊氧并用多晶硅或高濃度的N+或P+提供電極，從而和“超級(jí)結(jié)”一樣能夠提供新的電場(chǎng)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，這種工藝相對(duì)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單一些。這些新的方案原理基本都與“超級(jí)結(jié)”結(jié)構(gòu)類似，是在性能和工藝難度上的折中選擇。,1.2.3 “超級(jí)結(jié)”結(jié)構(gòu),13,COOLMOS為英飛凌公司注冊(cè)推出的采用“超級(jí)結(jié)”結(jié)構(gòu)的新一代MOSFET，已廣泛應(yīng)用于各種中小功率電力電子裝置中[8]，COOLMOS相對(duì)于傳統(tǒng)MOSFET所體現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)在于： 1.導(dǎo)通電阻的降低 英飛凌公司推出的COOLMOS，耐壓為600V和800V的器件與傳統(tǒng)MOSFET相比，相同的管芯面積條件下，導(dǎo)通電阻分別下降為傳統(tǒng)MOSFET的1/5和1/10；相同的額定電流條件下，導(dǎo)通電阻分別下降為傳統(tǒng)MOSFET的1/2~1/3.導(dǎo)通電阻的降低是COOLMOS相對(duì)于傳統(tǒng)MOSFET的最大好處，也是英飛凌公司將其命名為COOLMOS的主要原因。 2.封裝的減小 相同額定電流的COOLMOS的管芯減小為傳統(tǒng)MOSFET的1/3~1/4，所以COOLMOS的封裝也可以大大減小。,1.2.3 COOLMOS,3.開(kāi)關(guān)特性的改善 COOLMOS的柵極電荷及與開(kāi)關(guān)特性相關(guān)的參數(shù) 均優(yōu)于傳統(tǒng)MOSFET。因此在額定電壓電流的情況下COOLMOS會(huì)有更 好的高頻表現(xiàn)，其開(kāi)關(guān)時(shí)間約為傳統(tǒng)MOSFET的1/2。 4.短路工作安全區(qū) COOLMOS的最大特點(diǎn)之一就是其具有短路安全 工作區(qū)（SCSOA），而傳統(tǒng)MOSFET不具有這種特性。COOLMOS獲得 SCSOA的主要原因是其轉(zhuǎn)移特性的變化。COOLMOS的轉(zhuǎn)移特性表現(xiàn)為 隨著柵-源電壓的增加，COOLMOS的漏極電流不會(huì)上升到足以損壞器件 的地步，COOLMOS在短路時(shí)所耗散的功率受到了限制，盡可能地減少 了短路時(shí)管芯的發(fā)熱。同時(shí)由于管芯熱阻的降低，可使管芯產(chǎn)生的熱量 迅速地散發(fā)到管殼，抑制了管芯溫度的上升。,14,不過(guò)，由于“超級(jí)結(jié)”結(jié)構(gòu)在電荷均衡的工藝上有一定的難度，所以制造阻斷電壓1000V以上的COOLMOS具有較大的困難。此外，COOLMOS的內(nèi)部寄生反向二極管的反向恢復(fù)特性和電導(dǎo)率難以達(dá)到傳統(tǒng)MOSFET的技術(shù)指標(biāo)，所以COOLMOS一般不適用于中大功率變流器裝置。,1.2.3 COOLMOS,15,1.3 絕緣柵雙極型晶體管,絕緣柵雙極型晶體管(Insolated Gate Bipolar Transistor---IGBT),是上世紀(jì)80年代初為解決MOSFET的高導(dǎo)通電壓、難以制成兼有高電壓和大電流特性和GTR的工作頻率低、驅(qū)動(dòng)電路功率大等不足而出現(xiàn)的雙機(jī)理復(fù)合器件。 由于它將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好，且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)電流小等優(yōu)點(diǎn)，又具有通態(tài)壓降小、耐壓高及承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展很快。,16,從結(jié)構(gòu)圖可以看出，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR,其簡(jiǎn)化等效電路如圖1-6所示。,圖1-6 IGBT的簡(jiǎn)化等效圖,1.3 絕緣柵雙極型晶體管,17,1.3.1 應(yīng)用于IGBT的新器件制造技術(shù) 1.3.2 穿通型IGBT 1.3.3 非穿通型IGBT 1.3.4場(chǎng)終止型IGBT 1.3.5 其他新型IGBT,1.3 絕緣柵雙極型晶體管,18,1.3.1 應(yīng)用于IGBT的新器件制造技術(shù),早期的IGBT，已經(jīng)獲得了比功率MOSFET低的通態(tài)壓降和比雙極性器件更高的工作頻率，但是通態(tài)損耗相對(duì)雙極性器件仍然相對(duì)較大，SOA范圍較小，成本較高，且具有負(fù)溫度系數(shù)，不利于并聯(lián)使用 1 透明集電極技術(shù) 透明集電極技術(shù)應(yīng)用于集電極區(qū)（下層），把IGBT的集電極的空穴注入效率降低到0.5以下，使通過(guò)集電極的的總電流中電子流起主要作用，一般達(dá)到70%以上。在IGBT關(guān)斷時(shí)，n-區(qū)存儲(chǔ)的過(guò)剩電子能透過(guò)集電區(qū)迅速流出，實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷。,19,2 電場(chǎng)終止技術(shù) 電場(chǎng)終止技術(shù)（field stop）FS技術(shù)應(yīng)用于n-層（中層），其核心是在n-層與p型集電區(qū)之間加入一個(gè)比n-區(qū)寬度小而摻雜濃度高的n+緩沖層，使得電場(chǎng)強(qiáng)度在該層中迅速減少到零，同時(shí)提高n-區(qū)的電阻率，從而可以較薄的耐壓層實(shí)現(xiàn)相同的擊穿電壓。,1.3.1 應(yīng)用于IGBT的新器件制造技術(shù),20,3 上層結(jié)構(gòu)新技術(shù) 1.溝槽柵技術(shù)：該技術(shù)和MOSFET的溝槽門極技術(shù)概念完全一致，都是利用挖槽的概念，在IGBT的柵氧化層和柵電極做在溝槽的側(cè)壁上，形成垂直溝道。 2.近表層載流子濃度增高技術(shù)：一般IGBT中，從p型集電區(qū)注入到n-層的空穴向上的電荷運(yùn)動(dòng)過(guò)程中濃度是逐漸降低的，所以n-層中越接近p型集電區(qū)的部分電導(dǎo)調(diào)制作用越弱，通態(tài)電阻就越大。所謂近表層載流子濃度增高技術(shù)就是利用各種方法盡最大可能來(lái)提高這一區(qū)域的電子空穴對(duì)濃度，來(lái)增強(qiáng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，減少通態(tài)電阻。,1.3.1 應(yīng)用于IGBT的新器件制造技術(shù),21,1.3.2 穿通型IGBT,PT型IGBT在其內(nèi)部有一個(gè)強(qiáng)發(fā)射極，使器件在通態(tài)時(shí)可以獲得大量的少數(shù)載流子。IGBT在阻斷狀態(tài)下，電場(chǎng)的分布呈不規(guī)則四邊形，對(duì)于一定的耐壓，n-層可以設(shè)計(jì)得很薄，但由于其硅片較厚，制造工藝復(fù)雜，價(jià)格比NPT型IGBT高。其唯一優(yōu)點(diǎn)是通態(tài)壓降較小。,,22,1.3.3 非穿通型IGBT,其最大的特點(diǎn)就是采用了透明集電極的技術(shù). 集電極電流中大部分為電子電流，而不是空穴電流，其工作機(jī)理以電導(dǎo)調(diào)制MOSFET 為主。,,23,1.3.4 場(chǎng)終止型IGBT,場(chǎng)終止型IGBT采用了電場(chǎng)終止技術(shù)，主要針對(duì)NPT型IGBT寬 n-基區(qū)的缺點(diǎn)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化的，圖1-10為場(chǎng)終止型IGBT的結(jié)構(gòu)。,,24,總結(jié),25,1.3.5 其他新型IGBT,①透明集電區(qū)溝槽柵場(chǎng)終止型IGBT（Trench，F(xiàn)S型IGBT）集合了溝槽技術(shù)、FS 技術(shù)和透明集電區(qū)技術(shù)，具有極低的功率損耗； ②注入增強(qiáng)柵晶體管（Injection Enhanced Gate Transistor，簡(jiǎn)稱IEGT）采用了加寬pnp管間距的近表面層注入載流子濃度增強(qiáng)技術(shù)，集合了表面層注入載流子增強(qiáng)技術(shù)與Trench技術(shù)、FS技術(shù)、透明集電區(qū)技術(shù)； ③高電導(dǎo)率IGBT （High-Conductivity IGBT，簡(jiǎn)稱HiGT）有很多不同結(jié)構(gòu)。它在非透明集電區(qū)PT-IGBT的基礎(chǔ)上，采用空穴阻擋層技術(shù)使總功耗顯著降低,26,1.4 集成門極換向晶閘（IGCT）的結(jié)構(gòu)與工作原理,IGCT是在門極關(guān)斷晶閘管的基礎(chǔ)上改良得到的器件，它把集成門極換向電路和門極換向晶閘管（GCT）組合在一起，實(shí)際上是一種關(guān)斷增益為1的GTO，具有高耐壓、低通態(tài)壓降、緩沖和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可以穩(wěn)定的工作在高壓大功率的場(chǎng)合，是大功率開(kāi)關(guān)器件的換代產(chǎn)品。,27,1.4.1 IGCT的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn),IGCT的關(guān)鍵思想是將改進(jìn)結(jié)構(gòu)的GTO和極低電感的門極驅(qū)動(dòng)器結(jié)合起來(lái)，除了門極驅(qū)動(dòng)單元外，IGCT由單個(gè)GCT組成。門極驅(qū)動(dòng)器與GCT之間有一定的距離，以滿足不同形式的構(gòu)件要求. IGCT主要分為非對(duì)稱型、反向阻斷型和逆導(dǎo)型三種類型。除了門極驅(qū)動(dòng)單元外，非對(duì)稱IGCT由單個(gè)GCT組成的；反向阻斷型IGCT是為電流型優(yōu)化設(shè)計(jì)的具有反向阻斷能力的IGCT器件，也稱為SGCT；逆導(dǎo)型IGCT是由反并聯(lián)續(xù)流二極管和GCT集成的。,28,,,1.硬驅(qū)動(dòng) 由于IGCT驅(qū)動(dòng)單元的特殊設(shè)計(jì)，其門極和陰極的雜散電感大大降低，僅為同容量級(jí)的GTO的1/10，關(guān)斷時(shí)所承受的di/dt可以比標(biāo)準(zhǔn)的GTO驅(qū)動(dòng)大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，可以使用硬驅(qū)動(dòng)。,2.緩沖層 緩沖層是在高阻層N-和陽(yáng)極的P+ 發(fā)射極之間參雜的N層。在陽(yáng)極附近設(shè)置緩沖層的目的是為了在相同的阻斷電壓下減小硅片的厚度，進(jìn)而減小通態(tài)和關(guān)斷損耗。,3.透明陽(yáng)極發(fā)射極 為了實(shí)現(xiàn)較低的通態(tài)壓降，晶閘管結(jié)構(gòu)仍然保留導(dǎo)通器件特性，而為了同時(shí)獲得小的關(guān)斷損耗，陽(yáng)極三極管的增益被限制并且被做成很薄并且弱摻雜。以便在關(guān)斷階段，當(dāng)陽(yáng)極電壓開(kāi)始建立時(shí)，電子可以通過(guò)發(fā)射極被清除出去而不需中和空穴。電子這種在關(guān)斷時(shí)不需激發(fā)就可以穿過(guò)陽(yáng)極的特性，被稱為透明發(fā)射極。,1.4.1 IGCT的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn),29,1.4.2 IGCT工作原理,IGCT工作原理主要取決于GCT的工作過(guò)程?？傮w說(shuō)來(lái)，GCT的開(kāi)通機(jī)理和GTO完全一樣，但關(guān)斷過(guò)程有很大的差別，其等效原理圖如圖1-14所示 。,,30,當(dāng)GCT工作在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，是一個(gè)晶閘管一樣的正反饋開(kāi)關(guān)，攜帶電流能力強(qiáng)而且通態(tài)壓降低，導(dǎo)通機(jī)理與GTO完全一致。當(dāng)器件需要關(guān)斷時(shí)，門極P溝道MOSFET先導(dǎo)通，部分主電流從陰極向門極換相，然后陰極N溝道MOSFET關(guān)斷，使主電流完全通過(guò)門極流出，此過(guò)程轉(zhuǎn)換時(shí)間約為1us，在關(guān)斷狀態(tài)下，GCT門極和在IGCT關(guān)斷過(guò)程中，GCT的門極和陰極之間的PN結(jié)提前進(jìn)入反向偏置，并有效的退出工作，使整個(gè)器件成為一個(gè)無(wú)接觸基區(qū)的晶體管，如晶體管一樣均勻關(guān)斷。與GTO完全不同，它沒(méi)有載流子收索效應(yīng)。,1.4.2 IGCT工作原理,31,GCT的開(kāi)通和關(guān)斷示意圖如圖1-15所示，GCT關(guān)斷時(shí)的電壓、電流波形如圖1-16所示。,,圖1-15 GCT的開(kāi)通和關(guān)斷示意圖,,圖1-16 IGCT無(wú)吸收電路的關(guān)斷波形,1.4.2 IGCT工作原理,32,1.5 電力電子器件新材料,電力半導(dǎo)體技術(shù)主要從兩方面進(jìn)行研究： 傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化與改進(jìn) 寬禁帶半導(dǎo)體材料的應(yīng)用 其中最有意義的是碳化硅、氮化鎵和氧化鋅，這些材料的共同特點(diǎn)是它們的禁帶寬度在3.3到3.5電子伏之間, 是硅的3倍, 比砷化鎵的禁帶寬度也大了兩倍以上，因而它們一般具有高的擊穿電場(chǎng)、高的熱導(dǎo)率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力,因而更適合于制作高溫、高頻及大功率器件。,33,1.5.1 碳化硅材料和碳化硅電力電子器件,碳化硅作為典型的寬禁帶半導(dǎo)體之一，被人稱成為第三代半導(dǎo)體，尤其在制造電力電子器件方面具有廣闊的應(yīng)用前景。用碳化硅做成的器件，其最高工作溫度有可能超過(guò)600攝氏度；碳化硅的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的8倍，其電子飽和漂移速度是硅的2倍，這更有利于提高器件的工作頻率，因而碳化硅器件的工作頻率可達(dá)硅器件的10倍以上；此外，碳化硅還是本世紀(jì)初唯一可以用熱氧化法生成高品質(zhì)本體氧化物的化合物半導(dǎo)體，這使其也可以像硅一樣用來(lái)制造MOSFET和IGBT這樣含有MOS結(jié)構(gòu)的器件。 碳化硅材料已被證明是電力電子器件的未來(lái)重要發(fā)展方向。,34,碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管的研發(fā)水平已達(dá)到高壓器件阻斷電壓超過(guò)20kV，大電流器件通態(tài)電流130A、阻斷電壓高達(dá)5kV的水平，并且在所有碳化硅器件中率先實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，并投放市場(chǎng)。,,碳化硅肖特基二極管結(jié)構(gòu)示意圖,1.5.1 碳化硅材料和碳化硅電力電子器件,35,,碳化硅功率MOSFET是研究最深入的場(chǎng)效應(yīng)器件，在結(jié)構(gòu)上與硅材料功率MOSFET沒(méi)有太大區(qū)別,其優(yōu)勢(shì)在于夠兼顧阻斷電壓和通態(tài)電阻。,碳化硅MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖,1.5.1 碳化硅材料和碳化硅電力電子器件,36,碳化硅MESFET由于沒(méi)有SiC-SiO2界面，其溝道載流子的等效遷移率較高，因而將碳化硅MESFET作為微波器件來(lái)開(kāi)發(fā)。,,碳化硅MESFET結(jié)構(gòu)示意圖,1.5.1 碳化硅材料和碳化硅電力電子器件,37,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）因?yàn)椴恍枰谱鳀叛趸瘜佣艿教蓟鑸?chǎng)效應(yīng)器件開(kāi)發(fā)者們的重視。近些年，SiC型JFET的研發(fā)水平達(dá)到2000V左右。,,碳化硅JFET結(jié)構(gòu)示意圖,1.5.1 碳化硅材料和碳化硅電力電子器件,38,碳化硅IGBT的優(yōu)越性只在阻斷電壓高于10000伏情況下才能突顯出來(lái)。近年來(lái)，關(guān)于碳化硅高壓IGBT的研發(fā)工作已有較大進(jìn)展。所遇到的主要困難是：p溝道IGBT的源電極接觸電阻偏高, n溝道IGBT需要用p型碳化硅材料作襯底，而p+碳化硅襯底能做到的最低電阻卻比MOSFET的電阻總值還高。因此，碳化硅IGBT研發(fā)工作的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，還有待于材料和工藝技術(shù)的進(jìn)一步改善。,由于碳化硅在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中形成微管缺陷的問(wèn)題至今尚未很好解決，制造大電流碳化硅分立器件所需要的大尺寸晶片還難以得到。因此，功率模塊成為人們?yōu)闈M足大電流應(yīng)用的需要而關(guān)注的對(duì)象。,1.5.1 碳化硅材料和碳化硅電力電子器件,39,1.5.2砷化鎵器件,砷化鎵是繼硅之后最成熟的半導(dǎo)體材料，已經(jīng)制造出直徑超過(guò)75mm的高質(zhì)量單晶。作為一種用于電子器件制造的初始材料，砷化鎵的典型價(jià)格比硅大約貴7倍。與硅相比，其器件制造所需的操作更復(fù)雜，所以比較昂貴。在砷化鎵中，所有的受主雜質(zhì)都有很高的擴(kuò)散系數(shù)，這使pn結(jié)在本質(zhì)上就不穩(wěn)定，也使我們不能采用多次擴(kuò)散的工藝，因此，砷化鎵器件通常是做成單極的，而不是雙極的。與相應(yīng)的硅器件相比，盡管一些砷化鎵器件需要的芯片面積較小，但材料可能仍然較貴，因此要想使用這種材料獲得好處時(shí)，其性能的重要方面要明顯優(yōu)于可供比較的硅器件。,40,1.5.3金剛石電力電子器件,作為制造功率器件而言，金剛石最重要的特征就是高熱導(dǎo)率，這使熱量能有效的從產(chǎn)生功耗的區(qū)域傳導(dǎo)出來(lái)金剛石帶隙寬達(dá)5eV，所以允許它在650℃高溫環(huán)境下工作，其擊穿電場(chǎng)雖然只是碳化硅的2倍，但卻是硅的很多倍，更適用于高壓器件。對(duì)于電力電子器件的材料優(yōu)選而言，金剛石的幾乎所有優(yōu)選因子都是最高的，因此盡管其材料制備比較困難，但還是吸引了不少人去開(kāi)發(fā)截止頻率極高的金剛石開(kāi)關(guān)器件。由于金剛石的晶格常數(shù)較小，C-C結(jié)合的能量又很高，所以其有效摻雜是個(gè)很大的難點(diǎn)。雖然早在20世紀(jì)80年代就開(kāi)始對(duì)金剛石器件研究了，但金剛石開(kāi)關(guān)器件比較單一，主要是SBD和MOSFET。,41,1.6 電力電子集成技術(shù),早期的思路是單片集成，即將主電路、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和控制電路等全部制造在同一個(gè)硅片上。由于大功率的主電路元件和其它控制電路元件的制造工藝差別較大,還有高壓隔離和傳熱的問(wèn)題,故電力電子領(lǐng)域單片集成難度很大,而在中大功率范圍內(nèi),只能采用混合集成的辦法,將多個(gè)不同工藝的器件裸片封裝在一個(gè)模塊內(nèi),現(xiàn)在廣泛使用的功率模塊和IPM模塊都體現(xiàn)了這種思想。,電力電子集成技術(shù)目標(biāo)是通過(guò)高密度混合集成和多層互連,將電力電子系統(tǒng)中主電路、傳感、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、控制、通信接口等全部電路和部分乃至全部無(wú)源器件都集成到一起,形成具有通用性的標(biāo)準(zhǔn)化電力電子集成模塊用以構(gòu)成各種不同的應(yīng)用系統(tǒng),42,1.6.1 集成技術(shù)的不同層次和形式,1 單片集成 所謂單片集成就是把一套電力電子電路中的功率器件、驅(qū)動(dòng)、控制和保護(hù)電路集成在同一片硅片上，但是實(shí)際應(yīng)用中的電力電子系統(tǒng)電路通常是強(qiáng)電和弱電的結(jié)合，當(dāng)控制電路和功率電路功率等級(jí)相差過(guò)大時(shí)，在同一片硅片上是基本無(wú)法解決電路隔離，電磁兼容，電路保護(hù)，熱設(shè)計(jì)等一系列的問(wèn)題，所以單片集成的思想僅體現(xiàn)在一些很小功率的電力電子系統(tǒng)上。,43,2 混合集成 混合集成主要指采用封裝的技術(shù)手段,將分別包含功率器件、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和控制電路的多個(gè)硅片封入同一模塊中,形成具有部分或完整功能且相對(duì)獨(dú)立的單元。在某種意義上,混合集成在集成化程度上是根據(jù)當(dāng)前技術(shù)水平所采取的一種折中方案,具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義,是電力電子集成技術(shù)應(yīng)用的主流方式。,1.6.1 集成技術(shù)的不同層次和形式,44,3 系統(tǒng)集成 系統(tǒng)集成將已有的功能主體經(jīng)過(guò)有機(jī)地組合及拼裝,形成一個(gè)完整的系統(tǒng),應(yīng)用在某特定領(lǐng)域。在電力電子技術(shù)領(lǐng)域,系統(tǒng)集成一般指將多個(gè)電路或裝置有機(jī)地組合成具有完整功能的電力電子系統(tǒng),小到手機(jī)的充電器，大到風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)等，都是這種概念的體現(xiàn)。但是這種集成是功能集成,與工程技術(shù)領(lǐng)域普遍采用的集成方案并無(wú)實(shí)質(zhì)性的區(qū)別,集成度低,與獨(dú)立的裝置和電路相比,無(wú)法明顯降低體積和重量,需要大量的設(shè)計(jì)工作,不能明顯體現(xiàn)集成優(yōu)勢(shì)。,1.6.1 集成技術(shù)的不同層次和形式,45,1.6.2 電力電子集成發(fā)展面臨的問(wèn)題,1 電力電子系統(tǒng)模塊的標(biāo)準(zhǔn)化 這部分技術(shù)主要涉及適用于集成模塊內(nèi)的具有通用性標(biāo)準(zhǔn)化的主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、電源電路及磁性元件技術(shù)。 為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先就是要確定標(biāo)準(zhǔn)模塊的電路結(jié)構(gòu)，通常優(yōu)選的標(biāo)準(zhǔn)包括：損耗，效率，運(yùn)行特性以及對(duì)不同電磁環(huán)境的適應(yīng)性。在控制模塊方面，也需要設(shè)計(jì)一個(gè)高度集成化的控制系統(tǒng)，使其能夠完成對(duì)各種常規(guī)運(yùn)行方式，包括PWM產(chǎn)生，信號(hào)反饋，A/D采樣等控制組件的集成。最后要在電路模塊和控制模塊之間建立一套適合的通訊總線和能量傳輸母線結(jié)構(gòu)，從而能夠真正實(shí)現(xiàn)自由，可靠，靈活的電力電子集成技術(shù)。,46,2 電力電子集成模塊的封裝技術(shù) 集成模塊的封裝技術(shù)主要是為了使模塊具備更大的承載能力，更高的功率密度和更高效的散熱能力，另一方面，對(duì)封裝技術(shù)的研究是研究與之相關(guān)的各類問(wèn)題的基礎(chǔ)與平臺(tái)。各種電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，電磁兼容，寄生參數(shù)的研究都要基于封裝模式進(jìn)行研究。 現(xiàn)在廣泛使用的是鋁絲鍵合技術(shù),優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單,成本低;缺點(diǎn)是:①鍵合點(diǎn)面積小,傳熱差,芯片表面溫度分布不均勻,局部易熱集中;②寄生電感大,造成開(kāi)關(guān)過(guò)電壓;③各鋁絲之間電流分布不均勻,局部電流集中;④電磁力造成鋁絲震動(dòng),導(dǎo)致鍵合點(diǎn)脫落等。因鋁絲鍵合存在諸多問(wèn)題,所以現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)是多芯片模塊技術(shù)(Multi Chip Module——MCM)。,1.6.2 電力電子集成發(fā)展面臨的問(wèn)題,47,3 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 這部分的研究主要基于標(biāo)準(zhǔn)化集成模塊的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。內(nèi)容涉及根據(jù)應(yīng)用選取適當(dāng)?shù)哪K,解決多模塊構(gòu)成的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題及進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因尚未形成模塊的標(biāo)準(zhǔn)化系列,這一領(lǐng)域的研究主要是試圖建立由模塊構(gòu)成的示范系統(tǒng),以證明電力電子集成概念的可行性和有效性,1.6.2 電力電子集成發(fā)展面臨的問(wèn)題,48,