2011-5-16中原工學院2011-5-16新型電力電子器件概述機電082裴文星200800384208一MOS控制晶閘管MCTMCT(MOSControlledThyristor)是將MOSFET與晶閘管組合而成的復合型器件。MCT將MOSFET的高輸入阻抗、低驅動功率、快速的開關過程和晶閘管的高電壓大電流、低導通壓降的特點結合起來，也是Bi-MOS器件的一種。一個MCT器件由數以萬計的MCT元組成，每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關斷的MOSFET。MCT具有高電壓、大電流、高載流密度、低通態壓降的特點。其通態壓降只有GTR的1/3左右，硅片的單位面積連續電流密度在各種器件中是最高的。另外， MCT可承受極高的di/dt和du/dt，使得其保護電路可以簡化。MCT的開關速度超高GTR,開關損耗也小。MCT曾一度被認為是一種最有發展前途的電力電子器件。因此，20世紀80年代以來一度成為研究的熱點。但經過十多年的努力，其關鍵技術問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預期的數值，未能投入實際應用。而其競爭對手 IGBT卻進展飛速，所以，目前從事乂口研究的人不是很多。二靜電感應晶體管SIT靜電感應晶體管SIT(StaticInductionTransistor)，是在普通結型場效應晶體管基礎上發展起來的單極型電壓控制器件，有源、柵、漏三個電極，它的源漏電流受柵極上的外加垂直電場控制。其結構可分為平面柵型、埋柵型和準平面型三大類。SIT與普通的結型場效應晶體管的最大區別就是在溝道中有多子勢壘存在，該勢壘阻礙著電子從源向漏的流動，勢壘大小即受柵-源間電壓的控制，也受源-漏間電壓的控制。SIT器件的工作原理就是通過改變柵極和漏極電壓來改變溝道勢壘高度，從而控制來自源區的多數載流子的數量，通過靜電方式控制溝道內部電位分布，從而實現對溝道電流的控制。SIT的輸出特性曲線呈現與真空三極管類似的非飽和特性，而不是像普通結型場效應晶體管那樣呈飽和五極管特性。

新型電力電子器件

2011-5-161952年日本的渡邊、西澤等人提出模擬晶體管的模型， 1971年9月日本西澤潤一發表SIT的研究結果。在70年代中期，它作為音頻功率放大器件在日本國內得到了迅速的發展，先后制出最高截止頻率 10兆赫、輸出功率1千瓦和30兆赫、輸出功率達2千瓦的靜電感應晶體管。1974年之后，高頻和微波功率靜電感應晶體管有較大發展。已出現1吉赫下輸出功率100瓦的內匹配合成器件和2吉赫下輸出10瓦左右的器件。靜電感應型硅可控整流器已做到導通電流 30安（壓降為0.9伏），開關時間P+P+圖2埋柵錯構靜電感應晶體管為110納秒。另外，已研制出MOS型SIT和SIT低功耗、高速集成電路，其邏輯門的功率-延遲積的理論值可達1X10-15焦以下。SIT具有非飽和型電流電壓輸出特性它和三極電子管的輸出特性相類似。靜電感應晶體管SIT是一種電壓控制器件。在零柵壓或很小的負柵壓時，溝道區已全部耗盡，呈夾斷狀態，靠近源極一側的溝道中出現呈馬鞍形分布的勢壘，由源極流向漏極的電流完全受此勢壘的控制。在漏極上加一定的電壓后，勢壘下降，源漏電流開始流動。漏壓越高，越大，亦即SIT的源漏極之間是靠漏電壓的靜電感應保持其

中原工學院新型電力電子器件中原工學院靜電感應晶體管電連接的,因此稱為靜電感應晶體管。SIT和一般場效應晶體管（FET）在結構上的主要區別是：①SIT溝道區摻雜濃度低，為1012?1015厘米-3,FET則為1015?1017厘米-3；②SIT具有短溝道，在輸出特性上，前者為非飽和型三極管特性，后者為飽和型五極管特性。靜電感應晶體管SIT主要有三種結構形式：埋柵結構、表面電極結構和介質覆蓋柵結構。埋柵結構是典型結構（圖2）,適用于低頻大功率器件；表面電極結構適用于高頻和微波功率SIT;介質覆蓋柵結構是中國研制成功的，這種結構既適用于低頻大功率器件，也適用于高頻和微波功率器件，其特點是工藝難度小、成品率高、成本低、適于大量生產。中國已研制出具有這種結構的SIT器件有：400兆赫，1?40瓦；1000兆赫，1?12瓦及1500兆赫，6瓦的SIT器件。另外，還制出600兆赫下耗散功率2.3瓦、噪聲系數小于3分貝的功率低噪聲SIT。和雙極型晶體管相比，SIT具有以下的優點：①線性好、噪聲小。用SIT制成的功率放大器，在音質、音色等方面均優于雙極型晶體管。②輸入阻抗高、輸出阻抗低，可直接構成OTL電路。③SIT是一種無基區晶體管，沒有基區少數載流子存儲效應，開關速度快。④它是一種多子器件，在大電流下具有負溫度系數，器件本身有溫度自平衡作用，抗燒毀能力強。⑤無二次擊穿效應，可靠性高。⑥低溫性能好，在 -19℃下工作正常。⑦抗輻照能力比雙極晶體管高 50倍以上。靜電感應晶體管是一種新型器件，可用于高保真度的音響設備、電源、電機控制、通信機、電視差轉機以及雷達、導航和各種電子儀器中。三靜電感應晶閘管SITH靜電感應器件（SID）是一類新型電力半導體器件的總稱，它主要包括靜電感應晶體管5。、雙極型靜電感應晶體管BSIT、靜電感應晶閘管SITH等三大類。與現用的晶體管和電子管比較，使用靜電感應器件最明顯的優點一是可實現功率變頻，從而達到高效節能（節能效果可高達40%），二是可優化產品結構、大幅度縮小產品體積，降低原材料消耗。它的最后發展將為人類廣泛節約能源，降低材料消耗提供重要手段，并為機電融合一體化開辟新的道路。新型電力電子器件2011-5-16靜電感應晶閘管SITH（StaticInductionThyristor）誕生于1972年，是在SIT的漏極層上附加一層與漏極層導電類型不同的發射極層而得到的。 因為其工作原理也與SIT類似，門極和陽極電壓均能通過電場控制陽極電流，因此 SITH又被稱為場控晶閘管（FieldControlledThyristor--FCT）。與其它電力器件相比，SITH具有一系列突出的優點：用柵極可強迫關斷，具有高耐壓、大電流、低壓降、低功耗、高速度、優良的動態性能以及強的抗燒性等優異性能，應用前景十分廣闊。SITH可以做成常開型，也可以做成常關型，SITH的結構與SIT或BSIT類似，所不同的只是陽極P+代替了n+漏區（見圖1）。其結構可以是表面柵型或埋柵型。為了提高阻斷增益，表面柵型SITH采用了n--n-p+漏區非對稱結構.下圖為SITH的結構示意圖。SITH最重要的用途是作為可關斷的電力開關，主要運用于正向導通和反向阻斷兩個狀態。對于常關型器件，正柵壓使其開通，負柵壓使器件強迫關斷。與普通晶閘管（SCR）及可關斷晶閘管（GTO）相比有許多優點：SITH的通態電阻小，通態電壓低，開關速度快，開關損耗小，正向電壓阻斷增益高，開通和關斷的短路增益大， di/dt

中原工學院新型電力電子器件中原工學院及dv/dt的耐量高。SITH為場控器件，不像SCR及GTO那樣有體內再生反饋機理，所以不會因dv/dt過高而產生誤觸發現象。SITH與SIT一樣，可以通過電場控制陽極電流，在柵極沒有信號時，器件是導通的。與SIT相比，SITH多了一個具有少子注入功能的PN結，SITH是兩種載流子導電的雙極型器件，具有電導調制效應，通態壓降低、通流能力強。其很多特性與 GTO類似，但開關速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常導通型，但也有正常關斷型。此外，其制造工藝比 GTO復雜得多，電流關斷增益較小，因而其應用范圍還有待拓展。四集成門極換流晶閘管IGCT集成柵極換流晶閘管IGCT(IntergratedGateCommutatedThyristors)是1996年問世的用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導體器件。 IGCT是一種基于GTO結構、利用集成柵極結構進行柵極硬驅動、采用緩沖層結構及陽極透明發射極技術的新型大功率半導體開關器件，具有晶閘管的通態特性及晶體管的開關特性。由于采用了緩沖結構以及淺層發射極技術，因而使動態損耗降低了約 50%,另外，此類器件還在一個芯片上集成了具有良好動態特性的續流二極管， 從而以其獨特的方式實現了晶閘管的低通態壓降、高阻斷電壓和晶體管穩定的開關特性有機結合 .表1 幾種開關元件的主妾性能器件種類容&平均開關期屣開關頻率MOSFET500V,240A低高IGBT3.3kV,E2kA低中GTO6kV-,6kA高'-低IGCT使變流裝置在功率、可靠性、開關速度、效率、成本、重量和體積等方面都取得了巨大進展，給電力電子成套裝置帶來了新的飛躍。IGCT是將GTO芯片與反并聯二極管和柵極驅動電路集成在一起，再與其柵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具有電流大、電壓高、開關頻率高、可靠性高、結構緊湊、損耗低等特點，而且造成本低，成品率高，有很好的應用前景。采用晶閘管技術的GTO是常用的大功率開關器件，它相對于采用晶體管技術的 IGBT在截止電5

新型電力電子器件2011-5-16壓上有更高的性能，但廣泛應用的標準GTO驅動技術造成不均勻的開通和關斷過程，需要高成本的dv/dt和di/dt吸收電路和較大功率的柵極驅動單元， 因而造成可靠性下降，價格較高，也不利于串聯。但是，在大功率MCT技術尚未成熟以前，IGCT已經成為高壓大功率低頻交流器的優選方案。下圖為不對稱IGCT的外形圖.IGCT與GTO相似，也是四層三端器件，GCT內部由成千個GCT組成，陽極和門極共用，而陰極并聯在一起。與GTO有重要差別的是IGCT陽極內側多了緩沖層，以透明（可穿透）陽極代替GTO的短路陽極。導通機理與GTO完全一樣，但關斷機理與GTO完全不同，在IGCT的關斷過程中，GCT能瞬間從導通轉到阻斷狀態，變成一個 pnp晶體管以后再關斷，所以它無外加du/dt限制；而GTO必須經過一個既非導通又非關斷的中間不穩定狀態進行轉換（即"GTO區〃），所以GTO需要很大的吸收電路來抑制重加電壓的變化率du/dt。阻斷狀態下IGCT的等效電路可認為是一個基極開路、低增益pnp晶體管與柵極電源的串聯。IGCT觸發功率小，可以把觸發及狀態監視電路和 IGCT管芯做成一個整體，通過兩根光纖輸入觸發信號、輸出工作狀態信號。IGCT將GTO技術與現代功率晶體管IGBT的優點集于一身，利用大功率關斷器件可簡單可靠地串聯這一關鍵技術，使得 IGCT在中高壓領域以及功率在0.5MVA?100MVA的大功率應用領域尚無真正的對手。IGCT損耗低、開關快速等