?????????????現(xiàn)代的電力電子技術(shù)無論對改造傳統(tǒng)工業(yè)（電力、機(jī)械、礦冶、交通、化工、輕紡等），還是對新建高技術(shù)產(chǎn)業(yè)（航天、激光、通信、機(jī)器人等）至關(guān)重要，從而已迅速發(fā)展成為一門獨(dú)立學(xué)科領(lǐng)域。它的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及到國民經(jīng)濟(jì)的各個工業(yè)部門，毫無疑問，它將成為本世紀(jì)乃至下世紀(jì)重要關(guān)鍵技術(shù)之一。近幾年西方發(fā)達(dá)的國家，盡管總體經(jīng)濟(jì)的增長速度較慢，電力電子技術(shù)仍一直保持著每年百分之十幾的高速增長。
　　從歷史上看，每一代新型電力電子器件的出現(xiàn)，總是帶來一場電力電子技術(shù)的**。以功率器件為核心的現(xiàn)代電力電子裝置，在整臺裝置中通常不超過總價值的20%～30%，但是，它對提高裝置的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)性能，卻起著十分重要的作用。

　　眾所周知，一個理想的功率器件，應(yīng)當(dāng)具有下列理想的靜態(tài)和動態(tài)特性:在截止?fàn)顟B(tài)時能承受高電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)時，具有大電流和很低的壓降；在開關(guān)轉(zhuǎn)換時，具有短的開、關(guān)時間，能承受高的di/dt和dv/dt，以及具有全控功能。

　　自從50年代，硅晶閘管問世以后，20多年來，功率半導(dǎo)體器件的研究工作者為達(dá)到上述理想目標(biāo)做出了不懈的努力，并已取得了使世人矚目的成就。60年代后期，可關(guān)斷晶閘管GTO實(shí)現(xiàn)了門極可關(guān)斷功能，并使斬波工作頻率擴(kuò)展到1kHz以上。70年代中期，高功率晶體管和功率 MOSFET問世，功率器件實(shí)現(xiàn)了場控功能，打開了高頻應(yīng)用的大門。80年代，絕緣柵門控雙極型晶體管 (IGBT)問世，它綜合了功率MOSFET和雙極型功率晶體管兩者的功能。它的迅速發(fā)展，又激勵了人們對綜合功率MOSFET和晶閘管兩者功能的新型功率器件-MOSFET門控晶閘管的研究。因此，當(dāng)前功率器件研究工作的重點(diǎn)主要集中在研究現(xiàn)有功率器件的性能改進(jìn)、MOS門控晶閘管以及采用新型半導(dǎo)體材料制造新型的功率器件等。下面就近幾年來上述功率器件的*新發(fā)展加以綜述。

一、 功率晶閘管的*新發(fā)展

1．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?，F(xiàn)在許多國家已能穩(wěn)定生產(chǎn)????mm、8kV /4kA的晶閘管。日本現(xiàn)在已投產(chǎn)8kV / 4kA和6kV /6kA的光觸發(fā)晶閘管(LTT)。美國和歐洲主要生產(chǎn)電觸發(fā)晶閘管。近十幾年來，由于自關(guān)斷器件的飛速發(fā)展，晶閘管的應(yīng)用領(lǐng)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(bǔ)償（SVC）、大功率直流電源及超大功率和高壓變頻調(diào)速應(yīng)用方面仍占有十分重要的地位。預(yù)計在今后若干年內(nèi)，晶閘管仍將在高電壓、大電流應(yīng)用場合得到繼續(xù)發(fā)展。

　　現(xiàn)在，許多生產(chǎn)商可提供額定開關(guān)功率36MVA ( 6kV/ 6kA)用的高壓大電流GTO。傳統(tǒng)GTO的典型的關(guān)斷增量僅為3～5。GTO關(guān)斷期間的不均勻性引起的“擠流效應(yīng)”使其在關(guān)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(qū)動電路較復(fù)雜和要求較大的驅(qū)動功率。但是，高的導(dǎo)通電流密度、高的阻斷電壓、阻斷狀態(tài)下高的dv/dt耐量和有可能在內(nèi)部集成一個反并二極管，這些突出的優(yōu)點(diǎn)仍使人們對GTO感到興趣。到目前為止，在高壓（VBR > 3.3kV )、大功率（0.5～20MVA）牽引、工業(yè)和電力逆變器中應(yīng)用得*為普遍的是門控功率半導(dǎo)體器件。目前，GTO的*高研究水平為6in、6kV /6kA以及9kV/10kA。為了滿足電力系統(tǒng)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(fā)出10kA/12kV的GTO，并有可能解決30多個高壓GTO串聯(lián)的技術(shù)，可望使電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方面再上一個臺階。

2．脈沖功率閉合開關(guān)晶閘管

　　該器件特別適用于傳送極強(qiáng)的峰值功率（數(shù)MW）、極短的持續(xù)時間（數(shù)ns）的放電閉合開關(guān)應(yīng)用場合，如：激光器、高強(qiáng)度照明、放電點(diǎn)火、電磁發(fā)射器和雷達(dá)調(diào)制器等。該器件能在數(shù)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(yīng)用的高壓離子閘流管、引燃管、火花間隙開關(guān)或真空開關(guān)等。

　　該器件獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)是：門-陰極周界很長并形成高度交織的結(jié)構(gòu)，門極面積占芯片總面積的90%，而陰極面積僅占10%；基區(qū)空穴-電子壽命很長，門-陰極之間的水平距離小于一個擴(kuò)散長度。上述兩個結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確保了該器件在開通瞬間，陰極面積能得到100%的應(yīng)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。

3.新型GTO器件-集成門極換流晶閘管

　　當(dāng)前已有兩種常規(guī)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(guī)GTO晶閘管相比，它具有許多優(yōu)良的特性，例如，不用緩沖電路能實(shí)現(xiàn)可靠關(guān)斷、存貯時間短、開通能力強(qiáng)、關(guān)斷門極電荷少和應(yīng)用系統(tǒng)（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。

　　在上述這些特性中，優(yōu)良的開通和關(guān)斷能力是特別重要的方面，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，GTO的應(yīng)用條件主要是受到這些開關(guān)特性的局限。眾所周知，GTO的關(guān)斷能力與其門極驅(qū)動電路的性能關(guān)系極大，當(dāng)門極關(guān)斷電流的上升率（diGQ/dt）較高時，GTO晶閘管則具有較高的關(guān)斷能力。一個4.5kV/4kA的IGCT與一個4.5kV/4kA的GTO的硅片尺寸類似，可是它能在高于6kA的情況下不用緩沖電路加以關(guān)斷，它的diGQ/dt高達(dá)6kA/μs。對于開通特性，門極開通電流上升率（diG/dt）也非常重要，可以借助于低的門極驅(qū)動電路的電感比較容易實(shí)現(xiàn)。IGCT之所以具有上述這些優(yōu)良特性，是因?yàn)樵谄骷Y(jié)構(gòu)上對GTO采取了一系列改進(jìn)措施。圖1是IGCT管餅和芯片的外形照片，芯片的基本圖形和結(jié)構(gòu)與常規(guī)GTO類似，但是它除了采用了陽極短路型的逆導(dǎo)GTO結(jié)構(gòu)以外，主要是采用了特殊的環(huán)狀門極，其引出端安排在器件的周邊，特別是它的門、陰極之間的距離要比常規(guī)GTO的小得多，所以在門極加以負(fù)偏壓實(shí)現(xiàn)關(guān)斷時， 門、陰極間可立即形成耗盡層， 如圖2所示。這時，從陽極注入基區(qū)的主電流，則在關(guān)斷瞬間全部流入門極，關(guān)斷增益為1， 從而使器件迅速關(guān)斷。不言而喻， 關(guān)斷IGCT時需要提供與主電流相等的瞬時關(guān)斷電流，這就要求包括IGCT門陰極在內(nèi)的門極驅(qū)動回路必須具有十分小的引線電感。實(shí)際上，它的門極和陰極之間的電感僅為常規(guī)GTO的1/10。

　　IGCT的另一個特點(diǎn)是有一個極低的引線電感與管餅集成在一起的門極驅(qū)動器。IGCT用多層薄板狀的襯板與主門極驅(qū)動電路相接。門極驅(qū)電路則由襯板及許多并聯(lián)的功率MOS管和放電電容器組成。包括IGCT及其門極驅(qū)動電路在內(nèi)的總引線電感量可以減小到GTO的1/100，表1是IGCT的電特性參數(shù)。

　　目前，4.5kV (1.9kV/2.7kV 直流鏈)及 5.5kV (3.3kV直流鏈)、 275A

　　有效硅面積小、低損耗、快速開關(guān)這些優(yōu)點(diǎn)保證了IGCT能可靠、高效率地用于300kVA～10MVA變流器，而不需要串聯(lián)或并聯(lián)。在串聯(lián)時，逆變器功率可擴(kuò)展到100MVA。雖然高功率的IGBT模塊具有一些優(yōu)良的特性，如能實(shí)現(xiàn)di/dt和dv/dt的有源控制、有源箝位、易于實(shí)現(xiàn)短路電流保護(hù)和有源保護(hù)等。但因存在著導(dǎo)通高損耗、硅有效面積低利用率、損壞后造成開路以及無長期可靠運(yùn)行數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)，限制了高功率IGBT模塊在高功率低頻變流器中的實(shí)際應(yīng)用。因此在大功率MCT未問世以前，IGCT可望成為高功率高電壓低頻變流器的優(yōu)選功率器件之一。

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二、IGBT模塊的*新發(fā)展

1．高功率溝槽柵結(jié)構(gòu)IGBT(Trench IGBT) 模塊

　　當(dāng)今高功率IGBT模塊中的IGBT元胞通常多采用溝槽柵結(jié)構(gòu)IGBT。與平面柵結(jié)構(gòu)相比，溝槽柵結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)器件中存在的相鄰元胞之間形成的結(jié)型場效應(yīng)晶體管效應(yīng)，同時引入了一定的電子注入效應(yīng)，使得導(dǎo)通電阻下降。為增加長基區(qū)厚度、提高器件耐壓創(chuàng)造了條件。所以近幾年來出現(xiàn)的高耐壓大電流IGBT器件均采用這種結(jié)構(gòu)。

　　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(guī)的GTO相比，開關(guān)時間縮短了20%，柵極驅(qū)動功率僅為GTO的1/1000。1997年富士電機(jī)研制成功1kA/2.5kV平板型IGBT，由于集電、發(fā)射結(jié)采用了與GTO類似的平板壓接結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(diǎn)是芯片面積利用率下降。所以這種平板壓接結(jié)構(gòu)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(yōu)選功率器件。

2．新型大功率IGBT模塊 - 電子注入增強(qiáng)柵晶體管IEGT(Injection Enhanced GateTrangistor)

　　近年來，日本東芝公司開發(fā)了IEGT，與IGBT一樣，它也分平面柵和溝槽柵兩種結(jié)構(gòu)，前者的產(chǎn)品即將問世，后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO兩者的某些優(yōu)點(diǎn)：低的飽和壓降，寬的**工作區(qū)（吸收回路容量僅為GTO的1/10左右），低的柵極驅(qū)動功率（比GTO低2個數(shù)量級）和較高的工作頻率。加之該器件采用了平板壓接式電極引出結(jié)構(gòu)，可望有較高的可靠性。

　　IEGT之所以有前述這些優(yōu)良的特性，是由于它利用了“電子注入增強(qiáng)效應(yīng)"。為了簡要說明這一效應(yīng)，將IGBT及IEGT單胞示意圖示于圖4。與IGBT相比，IEGT結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是柵極長度Lg較長，N長基區(qū)近柵極側(cè)的橫向電阻值較高，因此從集電極注入N長基區(qū)的空穴，不像在IGBT中那樣，順利地橫向通過P區(qū)流入發(fā)射極，而是在該區(qū)域形成一層空穴積累層。為了保持該區(qū)域的電中性，發(fā)射極必須通過N溝道向N長基區(qū)注入大量的電子。這樣就使N長基區(qū)發(fā)射極側(cè)也形成了高濃度載流子積累，在N長基區(qū)中形成與GTO中類似的載流子分布，從而較好地解決了大電流、高耐壓的矛盾。目前該器件已達(dá)到4.5kV/1kA的水平。

三、MOS門控晶閘管

　　MOS門極控制晶閘管充分地利用晶閘管良好的通態(tài)特性、優(yōu)良的開通和關(guān)斷特性，可望具有優(yōu)良的自關(guān)斷動態(tài)特性、非常低的通態(tài)電壓降和耐高壓，成為將來在電力裝置和電力系統(tǒng)中有發(fā)展前途的高壓大功率器件。目前世界上有十幾家公司在積極開展對MCT的研究。MOS門控晶閘管主要有三種結(jié)構(gòu)：MOS場控晶閘管（MCT）、基極電阻控制晶閘管(BRT)及射極開關(guān)晶閘管(EST)。其中EST可能是MOS門控晶閘管中*有希望的一種結(jié)構(gòu)。但是，這種器件要真正成為商業(yè)化的實(shí)用器件，達(dá)到取代GTO的水平，還需要相當(dāng)長的一段時間。

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四、采用新型半導(dǎo)體材料制造的新型功率器件

　　至今，硅材料功率器件已發(fā)展得相當(dāng)成熟。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)人們對理想功率器件特性的追求，越來越多的功率器件研究工作轉(zhuǎn)向了對用新型半導(dǎo)體材料制作新型半導(dǎo)體功率器件的探求。研究表明，砷化鎵FET和肖特基整流器可以獲得十分優(yōu)越的技術(shù)性能。Collinset al公司 用GaAs VFETs 制成了10MHz PWM變換器，其功率密度高達(dá)500W/in3。高壓（600V）砷化鎵高頻整流二極管近年來也有所突破，SiC材料和功率器件的研究工作十分活躍。

1．高壓砷化鎵高頻整流二極管

　　隨著變換器開關(guān)頻率的不斷提高，對快恢復(fù)二極管的要求也隨之提高。眾所周知，砷化鎵二極管具有比硅二極管優(yōu)越的高頻開關(guān)特性，但是由于工藝技術(shù)等方面的原因，砷化鎵二極管的耐壓較低，實(shí)際應(yīng)用受到局限。為適應(yīng)高壓、高速、高效率和低EMI應(yīng)用需要，高壓砷化鎵高頻整流二極管已在Motorola公司研制成功。與硅快恢復(fù)二極管相比，這種新型二極管的顯著特點(diǎn)是：反向漏電流隨溫度變化小、開關(guān)損耗低、反向恢復(fù)特性好。兩者比較結(jié)果示于表3。

碳化硅與碳化硅 ( SiC ) 功率器件

　　在用新型半導(dǎo)體材料制成的功率器件中，*有希望的是碳化硅 ( SiC )功率器件。它的性能指標(biāo)比砷化鎵器件還要高一個數(shù)量級，碳化硅與其他半導(dǎo)體材料相比，具有下列優(yōu)異的物理特點(diǎn):高的禁帶寬度，高的飽和電子漂移速度，高的擊穿強(qiáng)度，低的介電常數(shù)和高的熱導(dǎo)率。上述這些優(yōu)異的物理特性,決定了碳化硅在高溫、高頻率、高功率的應(yīng)用場合是極為理想的半導(dǎo)體材料。在同樣的耐壓和電流條件下，SiC器件的漂移區(qū)電阻要比硅低200倍，即使高耐壓的SiC場效應(yīng)管的導(dǎo)通壓降，也比單極型、雙極型硅器件的低得多。而且，SiC器件的開關(guān)時間可達(dá)10nS量級，并具有十分優(yōu)越的 FBSOA。

　　SiC可以用來制造射頻和微波功率器件，各種高頻整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。SiC高頻功率器件已在Motorola公司研發(fā)成功，并應(yīng)用于微波和射頻裝置。GE公司正在開發(fā)SiC功率器件和高溫器件(包括用于噴氣式引擎的傳感器)。西屋公司已經(jīng)制造出了在26GHz頻率下工作的甚高頻的MESFET。ABB公司正在研制高功率、高電壓的SiC整流器和其他SiC低頻功率器件，用于工業(yè)和電力系統(tǒng)。

　　理論分析表明，SiC功率器件非常接近于理想的功率器件?？梢灶A(yù)見，各種SiC器件的研究與開發(fā)，必將成為功率器件研究領(lǐng)域的主要潮流之一。但是，SiC材料和功率器件的機(jī)理、理論、制造工藝均有大量問題需要解決，它們要真正給電力電子技術(shù)領(lǐng)域帶來又一次**，估計至少還需要十幾年的時間。

五、結(jié)論

　　經(jīng)過人們的不懈努力，雖然硅雙極型及場控型功率器件的研究已趨成熟，但是它們的性能仍在不斷得到提高和改善，近年來出現(xiàn)的IGCT和IEGT可望比MCT更早地取代GTO。采用GaAs，碳化硅等新型半導(dǎo)體材料制成功率器件，實(shí)現(xiàn)人們對“理想器件”的追求，將是下個世紀(jì)電力電子器件發(fā)展的主要趨勢。
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