电力电子技术笔记（5）——其它新型电力电子器件、功率集成电路

目录

2.5 其它新型电力电子器件

2.5.1 MOS控制晶闸管MCT

2.5.2 静电感应晶体管SIT

2.5.3 静电感应晶闸管SITH

2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT

2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件

2.5.6 电子注入增强栅晶体管IEGT

2.6 功率集成电路与集成电力电子模块

基本概念

实际应用电路

发展现状

小结

器件

电力电子器件的现状和发展趋势

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2.5 其它新型电力电子器件

2.5.1 MOS控制晶闸管MCT

MCT（MOS Controlled Thyristor）是将MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。

MCT结合了二者的优点：

承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小，高输入阻抗、低驱动功率（MOSFET）。高电压，大电流，高载流密度，低导通压降（晶闸管）。

由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。

其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。

2.5.2 静电感应晶体管SIT

SIT（Static Induction Transistor）是一种结型场效应晶体管。

是一种多子导电的器件，其工作频率与电力MOSFET相当，甚至超过电力MOSFET，而功率容量也比电力MOSFET大，因而适用于高频大功率场合。

在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。

缺点：栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，这被称为正常导通型器件，使用不太方便，此外SIT通态电阻较大，使得通态损耗也大，因而SIT还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。

2.5.3 静电感应晶闸管SITH

SITH（Static Induction Thyristor）可以看作是SIT与GTO复合而成。

又被称为场控晶闸管（Field Controlled Thyristor——FCT），本质上是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。

其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO 高得多，是大容量的快速器件。

一般也是正常导通型，但也有正常关断型，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。

2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT

IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）是将一个平板型的GTO与由很多个并联的电力MOSFET器件和其它辅助元件组成的GTO门极驱动电路采用精心设计的互联结构和封装工艺集成在一起。

IGCT由主开关器件GCT和门极驱动电路集成而成。GCT是IGCT的核心器件。

导通——GCT具有PNPN结构，与GTO相同。

关断——门极和阴极反偏，关断，增益1。

关断增益等于1，比GTO还小。但是，驱动电流并不很大。

20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO优点，容量与普通GTO相当，但开关速度比普通的GTO快10倍，而且可以简化（省去）普通GTO应用时庞大而复杂的缓冲电路，只不过其所需的驱动功率仍然很大。

目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。

GCT截面结构示意图

 

a）IGCT导通时的等效电路图；b）IGCT关断时的等效电路图

 

GTO与IGCT特性比较表

2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件

禁带宽度是指一个能带宽度（单位是电子伏特（eV））。半导体价带中的大量电子都是价键上的电子，称为价电子，不能够导电，即不是载流子。只有当价电子跃迁到导带（即本征激发）而产生出自由电子和自由空穴后，才能够导电（要导电就要有自由电子）。因此，禁带宽度的大小实际上是反映了本征激发所需的最小能量。

下面的低能量带就叫价带，上面的高能量带称为导带，是禁带宽度。

硅的禁带宽度为1.12电子伏特（eV），而宽禁带半导体材料是指禁带宽度在3.0电子伏特左右（2.0eV~6.0eV）及以上的半导体材料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石（C）等材料。

二极管、MOSFET、GTO、IGBT、IGCT都已经有对应的碳化硅产品。

氮化镓（3.4eV）已经广泛用于LED的生产。

金刚石（5.47eV）可以用于制备工作温度很高的器件。器件主要是金刚石二极管、金刚石场效应晶体管。

基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件将具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级的提高。

宽禁带半导体器件的发展一直囿于材料的提炼和制造以及随后的半导体制造工艺的困难。

2.5.6 电子注入增强栅晶体管IEGT

IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor）是耐压达4kV以上的IGBT系列电力电子器件。

IEGT的电气符号相当于IGBT外加反并联二极管，引出共3个端子，分别称为集电极C、发射极E和栅极G。

其开通关断静态特性与IGBT类似：

当栅源极电压较高时，集电极C与发射极E导通。

当栅源极电压为零或为负值时，集电极C与发射极E关断。 

2.6 功率集成电路与集成电力电子模块

基本概念

20世纪80年代中后期，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。

可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。

对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。

将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（Power Integrated Circuit——PIC）。

PIC

实际应用电路

高压集成电路（High Voltage IC——HVIC）：一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。

智能功率集成电路（Smart Power IC——SPIC）：一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。

智能功率模块（Intelligent Power Module——IPM）：专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。以IGBT为基本功率开关器件。

智能功率模块是基于封装集成的思想，通过厚膜技术或薄膜技术形成导体和电阻，连成一体构成模块。封装集成为解决高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理提供了有效的思路。

IPM

发展现状

功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。（绝缘隔离技术、低压控制回路与数百伏输出回路之间电位调整技术、散热处理技术等）

以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。

智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点，最近几年获得了迅速发展。

功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。

小结

器件

电压、电流额定值最高器件是SCR，其余依次是GTO、IGCT、IEGT、IGBT、GTR、P-MOSFET。

工作频率最高的器件是P-MOSFET，其余依次是IGBT、GTR、IEGT和IGCT、GTO，最低的是SCR。

智能功率模块与功率集成电路不仅方便了使用，而且能降低系统成本，寄生电感小，提高了可靠性。

电力电子器件的现状和发展趋势

20世纪90年代中期以来，逐渐形成了小功率（10kW以下）场合以电力MOSFET为主，中、大功率场合以IGBT为主的压倒性局面，在10MVA以上或者数千伏以上的应用场合，如果不需要自关断能力，那么晶闸管仍然是目前的首选器件。

电力MOSFET和IGBT中的技术创新仍然在继续，IGBT还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用领域。

宽禁带半导体材料由于其各方面性能都优于硅材料，因而是很有前景的电力半导体材料。宽禁带半导体材料等新材料功率器件进化必将对电力电子技术产生革命性的影响。

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 《碳化硅电力电子器件及其制造工艺新进展》：200591239948705.pdf (jos.ac.cn)http://www.jos.ac.cn//fileBDTXB/oldPDF/200591239948705.pdf

《现代电力电子器件的发展》： 成都大学学报(自然科学版) (cnki.net)https://cddd.cbpt.cnki.net/WKE/WebPublication/advSearchPaperList.aspx?ys=&ist=&ns=&us=&ps=&pt=%E7%8E%B0%E4%BB%A3%E7%94%B5%E5%8A%9B%E7%94%B5%E5%AD%90%E5%99%A8%E4%BB%B6%E7%9A%84%E5%8F%91%E5%B1%95&pks=&pc=&st=year&stp=&ds=&pcl=

《GaN高频开关电力电子学的新进展（续）》 ：GaN高频开关电力电子学的新进展--《半导体技术》2016年01期 (cnki.com.cn)https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BDTJ201601001.htm