1.罕用的功率半导体器件学识大汇总

电力电子器件（PowerElectronicDevice），又称为功率半导体器件，用于电能调换和电能遏制电路中的大功率(时常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)电子器件。能够分为半控型器件、全控型器件和不行控型器件，此中晶闸管为半控型器件，蒙受电压和电流容量在总共器件中最高；电力二极管为不行控器件，结媾和道理简捷，办事牢靠；还能够分为电压启动型器件和电流启动型器件，此中GTO、GTR为电流启动型器件，IGBT、电力MOSFET为电压启动型器件。

1.MCT(MOSControlledThyristor)：MOS遏制晶闸管

MCT的等效电路图

MCT是一种新式MOS与双极复合型器件。如上图所示。MCT是将MOSFET的高阻抗、低启动图MCT的功率、快开关速率的性格与晶闸管的高压、大电流特型分离在一同，孕育大功率、高压、加紧全控型器件。本质上MCT是一个MOS门极遏制的晶闸管。它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断，它由多数单胞并联而成。它与GTR，MOSFET，IGBT，GTO等器件比拟，犹以下好处：(1)电压高、电流容量大，阻断电压已达V，峰值电流达A，最大可关断电流密度为kA/m2；(2)通态压降小、斲丧小，通态压降约为11V；(3)极高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已达20kV/s，di/dt为2kA/s；(4)开关速率快，开关斲丧小，明白时候约ns，V器件可在2s内关断；2.IGCT(IntergratedGateCommutatedThyristors)IGCT是在晶闸管技能的根本上分离IGBT和GTO等技能开采的新式器件，实用于高压大容质变频系统中，是一种用于巨型电力电子成套装配中的新式电力半导体器件。IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极启动电路集成在一同，再与其门极启动器在外围以低电感方法毗连，分离了晶体管的安定关断才力和晶闸管低通态斲丧的好处。在导通阶段表现晶闸管的功用，关断阶段展现晶体管的性格。IGCT芯片在不串不并的情景下，二电平逆变器功率0.5~3MW，三电平逆变器1~6MW；若反向二极管分别，不与IGCT集成在一同，二电平逆变器功率可扩至4/5MW，三电平扩至9MW。暂时，IGCT曾营商品化，ABB公司缔造的IGCT产物的最高功用参数为4[1]5kV/4kA，最高研发水准为6kV/4kA。年，日本三菱公司也开采了直径为88mm的GCT的晶闸管IGCT斲丧低、开关加紧等好处保证了它能牢靠、高效率地用于kW~10MW变流器，而不需求串连和并联。3.IEGT(InjectionEnhancedGateTransistor)电子注入巩固栅晶体管IEGT是耐压达4kV以上的IGBT系列电力电子器件，经过选取巩固注入的布局完结了低通态电压，使大容量电力电子器件取患了奔腾性的进展。IEGT具备做为MOS系列电力电子器件的潜在进展前程，具备低斲丧、高速行为、高耐压、有源栅启动智能化等特征，以及采取沟槽结媾和多芯片并联而自均流的性格，使其在进一步扩张电流容量方面颇具潜力。其它，经过模块封装方法还可供应繁多派临盆物，在大、中容量调换器运用中被寄托厚望。日本东芝开采的IECT欺诈了电子注入巩固效应，使之兼有IGBT和GTO两者的好处:低饱和压降，平安办事区(汲取回路容量仅为GTO的相当之一左右)，低栅极启动功率(比GTO低两个数目级)和较高的办事频次。器件采取平板压接式机电引出布局，牢靠性高，功用曾经到达4.5kV/A的水准。4.IPEM(IntergratedPowerElactronicsModules):集成电力电子模块IPEM是将电力电子装配的诸多器件集成在一同的模块。它首先是将半导体器件MOSFET，IGBT或MCT与二极管的芯片封装在一同构成一个积木单位，而后将这些积木单位迭装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上，在它的上面顺序是铜基板、氧化铍瓷片和散热片。在积木单位的上部，则经过表面贴装将遏制电路、门极启动、电流和温度传感器以及维护电路集成在一个薄绝缘层上。IPEM完结了电力电子技能的智能化和模块化，大大低沉了电路接线电感、系统噪声和寄生震撼，提升了系统效率及牢靠性5.PEBB(PowerElectricBuildingBlock):

典范的PEBB电力电子积木PEBB(PowerElectricBuildingBlock)是在IPEM的根本上进展起来的可责罚电能集成的器件或模块。PEBB并不是一种特定的半导体器件，它是遵照最优的电路结媾和系统布局计算的不同器件和技能的集成。典范的PEBB上图所示。尽管它看起来很像功率半导体模块，但PEBB除了包罗功率半导体器件外，还包罗门极启动电路、电平更动、传感器、维护电路、电源和无源器件。PEBB有能量接口和通信接口。经过这两种接口，几个PEBB能够构成电力电子系统。这些系统能够像袖珍的DC-DC更动器相同简捷，也能够像大型的散布式电力系统那样繁杂。一个系统中，PEBB的数目能够从一个就随意多个。多个PEBB模块一同办事能够完结电压更动、能量的贮存和更动、阴抗般配等系统级成效，PEBB最紧要的特征便是其通用性。

6．超大功率晶闸管晶闸管（SCR）自问世以来，其功率容量提升了近倍。如今很多国度已能安定临盆8kV/4kA的晶闸管。日本如今已投产8kV/4kA和6kV/6kA的光触发晶闸管(LTT)。美国和欧洲紧要临盆电触发晶闸管。近十几年来，由于自关断器件的加紧进展，晶闸管的运用范围有所削减，不过，由于它的高电压、大电流性格，它在HVDC、停止无功赔偿（SVC）、大功坦爽流电源及超大功率和高压变频调速运用方面仍据有相当紧要的名望。估计在往后几多年内，晶闸管仍将在高电压、大电流运用局面获得赓续进展。如今，很多临盆商可供应额定开关功率36MVA(6kV/6kA)用的高压大电流GTO。保守GTO的典范的关断增量仅为3～5。GTO关断期间的不平匀性引发的“挤流效应”使其在关断期间dv/dt确定束缚在～1kV/μs。为此，人们不得不行使体积大、昂贵的汲取电路。其它它的门极启动电路较繁杂和请求较大的启动功率。到暂时为止，在高压（VBR3.3kV)、大功率（0.5～20MVA）牵引、产业和电力逆变器中运用得最为广大的是门控功率半导体器件。暂时，GTO的最高钻研水准为6in、6kV/6kA以及9kV/10kA。为了餍足电力系统对1GVA以上的三相逆变功率电压源的需求，近期很有也许开采出10kA/12kV的GTO，并有也许办理30多个高压GTO串连的技能，可望使电力电子技能在电力系统中的运用方面再上一个台阶。7.脉冲功率紧闭开关晶闸管该器件尤其实用于传递极强的峰值功率（数MW）、极短的延续时候（数ns）的放电紧闭开关运用局面，如：激光器、高强度照明、放电点燃、电磁发射器和雷达调制器等。该器件能在数kV的高压下加紧明白，不需求放电电极，具备很长的行使寿命，体积小、代价较量低，可望庖代暂时尚在运用的高压离子闸流管、引燃管、火花空隙开关或真空开关等。该器件奇特的结媾和工艺特征是：门-阴极周界很长并孕育高度交叉的布局，门极面积占芯片总面积的90%，而阴极面积仅占10%；基区空穴-电子寿命很长，门-阴极之间的水准间隔小于一个散布长度。上述两个布局特征保证了该器件在明白霎时，阴极面积能获得%的运用。其它，该器件的阴极电极采取较厚的金属层，可蒙受刹时峰值电流。8.新式GTO器件-集成门极换流晶闸管今朝已有两种老例GTO的替换品:高功率的IGBT模块、新式GTO派生器件-集成门极换流IGCT晶闸管。IGCT晶闸管是一种新式的大功率器件，与老例GTO晶闸管比拟，它具备很多精良的性格，比如，不必缓冲电路能完结牢靠关断、存贮时候短、明白才力强、关断门极电荷少和运用系统（包罗总共器件和外围部件如阳极电抗器平静冲电容器等）总的功率斲丧低等。9．高功率沟槽栅布局IGBT(TrenchIGBT)模块现今高功率IGBT模块中的IGBT元胞时常多采取沟槽栅布局IGBT。与平面栅布局比拟，沟槽栅布局时常采取1μm加工精度，进而大大提升了元胞密度。由于门极沟的存在，消除了平面栅布局器件中存在的相邻元胞之间孕育的结型场效应晶体管效应，同时引入了确定的电子注入效应，使得导通电阻下落。为增添长基区厚度、提升器件耐压缔造了前提。于是近几年来涌现的高耐压大电流IGBT器件均采取这类布局。年日本三菱和日立公司别离研发胜利3.3kV/1.2kA庞大容量的IGBT模块。它们与老例的GTO比拟，开关时候削减了20%，栅极启动功率仅为GTO的1/。年富士机电研发胜利1kA/2.5kV平板型IGBT，由于集电、发射结采取了与GTO相似的平板压接布局，采取更高效的芯片两头散热方法。尤其故意义的是，防止了大电流IGBT模块内部大批的电极引出线，提升了牢靠性和减小了引线电感，缺陷是芯单方积欺诈率下落。于是这类平板压接布局的高压大电流IGBT模块也可望成为高功率高电压变流器的优选功率器件。10.电子注入巩固栅晶体管IEGT(InjectionEnhancedGateTrangistor)连年来，日本东芝公司开采了IEGT，与IGBT相同，它也分平面栅和沟槽栅两种布局，前者的产物行将问世，后者尚在研发中。IEGT兼有IGBT和GTO两者的某些好处：低的饱和压降，宽的平安办事区（汲取回路容量仅为GTO的1/10左右)，低的栅极启动功率（比GTO低2个数目级）和较高的办事频次。加之该器件采取了平板压接式电极引出布局，可望有较高的牢靠性。与IGBT比拟，IEGT布局的紧要特征是栅极长度Lg较长，N长基区近栅极侧的横向电阻值较高，是以从集电极注入N长基区的空穴，不像在IGBT中那样，告成地横向经过P区流入发射极，而是在该地区孕育一层空穴堆集层。为了维持该地区的电中性，发射极确定经过N沟道向N长基区注入大批的电子。如许就使N长基区发射极侧也孕育了高浓度载流子堆集，在N长基区中孕育与GTO中相似的载流子散布，进而较好地办理了大电流、高耐压的冲突。暂时该器件已到达4.5kV/1kA的水准。11.MOS门控晶闸管MOS门极遏制晶闸管充足地欺诈晶闸管优异的通态性格、精良的明白和关断性格，可望具备精良的自关断动态性格、尤其低的通态电压降和耐高压，成为来日在电力装配和电力系统中有进展出路的高压大功率器件。暂时天下上有十几家公司在踊跃开展对MCT的钻研。MOS门控晶闸管紧要有三种布局：MOS场控晶闸管（MCT）、基极电阻遏制晶闸管(BRT)及射极开关晶闸管(EST)。此中EST也许是MOS门控晶闸管中最有渴望的一种布局。不过，这类器件要真实成为贸易化的有用器件，到达庖代GTO的水准，还需求相当长的一段时候。12.砷化镓二极管跟着调换器开关频次的赓续提升，对快复原二极管的请求也随之提升。家喻户晓，具备比硅二极管先进的高频开关性格，不过由于工艺技能等方面的起因，砷化镓二极管的耐压较低，实践运用遭到限定。为适应高压、高速、高效率和低EMI运用需求，高压砷化镓高频整流二极管已在Motorola公司研发胜利。与硅快复原二极管比拟，这类新式二极管的显著特征是：反向泄电流随温度改变小、开关斲丧低、反向复原性格好。13.碳化硅与碳化硅(SiC)功率器件在用新式半导体材料制成的功率器件中，最有渴望的是碳化硅(SiC)功率器件。它的功用目标比砷化镓器件还要高一个数目级，碳化硅与其余半导体材料比拟，具备以下精良的物理特征:高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速率，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率。上述这些精良的物理性格，决议了碳化硅在高温、高频次、高功率的运用局面是极其愿望的半导体材料。在相同的耐压和电流前提下，SiC器件的漂移区电阻要比硅低倍，纵使高耐压的SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低很多。并且，SiC器件的开关时候可达10nS量级，并具备相当先进的FBSOA。SiC能够用来缔造射频和微波功率器件，百般高频整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。SiC高频功率器件已在Motorola公司研发胜利，并运用于微波和射频装配。GE公司正在开采SiC功率器件和高温器件(包罗用于喷气式引擎的传感器)。西屋公司曾经缔造出了在26GHz频次下办事的甚高频的MESFET。ABB公司正在研发高功率、高电压的SiC整流器和其余SiC低频功率器件，用于产业和电力系统。

2.射频芯片（PPT）

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