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2.8 其他新型电力电子器件

2.8.1 静电感应晶体管

静电感应晶体管(Static Induction Transistor,SIT)诞生于1970年,实际上是一种结型场效应晶体管。将用于信息处理的小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构,即可制成大功率的SIT器件。SIT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,目前已在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等专业领域获得了较多的应用。

但是SIT在栅极不加任何信号时是导通的,而栅极加负偏压时关断,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。SIT可以做成正常关断型器件,但通态损耗将更大,因而SIT还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。

2.8.2 静电感应晶闸管

静电感应晶闸管(Static Induction THyristor,SITH)诞生于1972年,是在SIT的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同的发射极层而得到的,就像IGBT可以看作是电力MOSFET与GTR复合而成的器件一样,SITH也可以看作是SIT与GTO晶闸管复合而成的。因为其工作原理也与SIT类似,门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流,因此SITH又被称为场控晶闸管(Field Controlled Thyristor,FCT)。由于比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结,因而SITH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晶闸管类似,但开关速度比GTO晶闸管高得多,是大容量的快速器件。

SITH一般是正常导通型,但也有正常关断型。此外,其制造工艺比GTO晶闸管复杂得多,电流关断增益较小,因而其应用范围还有待拓展。

2.8.3 MOS控制晶闸管

MOS控制晶闸管(MOS Controlled Thyristor,MCT)是将MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。MCT将MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点结合起来,也是Bi-MOS器件的一种。一个MCT器件由数以万计的MCT元组成,每个元由一个PNPN晶闸管、一个控制该晶闸管导通的MOSFET和一个控制该晶闸管关断的MOSFET组成。

MCT具有高电压、大电流、高载流密度、低通态压降的特点,其通态压降只有GTR的1/3左右,硅片的单位面积连续电流密度在各种器件中是最高的。另外,MCT可承受极高的d i /d t 和d u /d t ,使得其保护电路可以简化。MCT的开关速度超过GTR,开关损耗也较小。

总之,MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此,20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力,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。而其竞争对手IGBT却进展飞速,所以,目前从事MCT研究的人不是很多。

2.8.4 集成门极换流晶闸管

集成门极换流晶闸管(Integrated Gate-Commutated Thyristor,IGCT),有的厂家也称为GCT(Gate-Commutated Thyristor),是20世纪90年代后期出现的新型电力电子器件。IGCT实质上是将一个平板型的GTO晶闸管与由很多个并联的电力MOSFET器件和其他辅助器件组成的GTO晶闸管门极驱动电路,采用精心设计的互联结构和封装工艺集成在一起。IGCT的容量与普通GTO晶闸管相当,但开关速度比普通的GTO晶闸管快10倍,而且可以简化普通GTO晶闸管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。在IGCT产品刚推出的几年中,由于其电压和电流容量大于当时IGBT的水平而很受关注,但IGBT的电压和电流容量很快赶了上来,而且市场上一直只有个别厂家在提供IGCT产品,因此IGCT的前景目前还很难预料。

2.8.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件

到目前为止,硅材料一直是电力电子器件所采用的主要半导体材料。其主要原因是人们早已掌握了低成本、大批量制造、大尺寸、低缺陷、高纯度的单晶硅材料的技术以及随后对其进行半导体加工的各种工艺技术,人类对硅器件不断的研究和开发投入也是巨大的。但是硅器件的各方面性能已随其结构设计和制造工艺的相当完善而接近其由材料特性决定的理论极限(虽然随着器件技术的不断创新这个极限一再被突破),很多人认为依靠硅器件继续完善和提高电力电子装置与系统性能的潜力已十分有限。因此,将越来越多的注意力投向基于宽禁带半导体材料的电力电子器件。

我们知道,固体中电子的能量具有不连续的量值,电子都分布在一些相互之间不连续的能带上。价电子所在能带与自由电子所在能带之间的间隙称为禁带或带隙。所以禁带的宽度实际上反映了被束缚的价电子要成为自由电子所必须额外获得的能量。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3.0eV及以上的半导体材料,典型的是碳化硅(SiC)、氮化嫁(GaN)、金刚石等材料。

通过对半导体物理知识的学习可以知道,由于具有比硅宽得多的禁带宽度,宽禁带半导体材料一般都具有比硅高得多的临界雪崩击穿电场强度和载流子饱和漂移速度、较高的热导率和相差不大的载流子迁移率,因此,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。但是,宽禁带半导体器件的发展一直受制于材料的提炼和制造,以及随后半导体制造工艺的困难。

直到20世纪90年代,碳化硅材料的提炼和制造技术以及随后的半导体制造工艺才有所突破,到21世纪初推出了基于碳化硅的肖特基二极管,性能全面优于硅肖特基二极管,因而迅速在相关的电力电子装置中应用,其总体效益远远超过这些器件与硅器件之间的价格差异造成的成本增加。氮化镓的半导体制造工艺自20世纪90年代以来也有所突破,因而也已可以在其他材料衬底的基础上实施加工工艺,制造相应的器件。氮化镓器件由于具有比碳化硅器件更好的高频特性而较受关注。金刚石在这些宽禁带半导体材料中性能是最好的,很多人称之为最理想的或最具前景的电力半导体材料,但是金刚石材料提炼和制造以及随后的半导体制造工艺也是最困难的,目前还没有有效的办法,距离基于金刚石材料的电力电子器件产品的出现还有很长的路要走。

2.8.6 功率集成电路和集成电力电子模块

自20世纪80年代中后期开始,在电力电子器件研制和开发中的一个共同趋势是模块化。正如前面有些地方提到的,按照典型电力电子电路所需要的拓扑结构,将多个相同的电力电子器件或多个相互配合使用的不同电力电子器件封装在一个模块中,可以缩小装置体积,降低成本,提高可靠性。更重要的是,对工作频率较高的电路,还可以大大减小电路电感,从而简化对保护和缓冲电路的要求。这种模块被称为功率模块,或者按照主要器件的名称命名,如IGBT模块。

更进一步,如果将电力电子器件与逻辑、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,则称为功率集成电路(Power Integrated Circuit,PIC)。与功率集成电路类似的还有许多名称,但实际上各自有所侧重。为了强调功率集成电路是所有器件和电路都集成在一个芯片上的,故又称之为电力电子电路的单片集成。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。

同一芯片上高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的有效处理是功率集成电路的主要技术难点,短期内难以有大的突破。因此,目前功率集成电路的研究、开发和实际产品应用主要集中在小功率的场合,如便携式电子设备、家用电器、办公设备电源等。在这种情况下,前面所述的功率模块中所采用的将不同器件和电路通过专门设计的引线或导体连接起来并封装在一起的思路,则在很大程度上回避了这两个难点,有人称之为电力电子电路的封装集成。

采用封装集成思想的电力电子电路也有许多名称,也是各自有所侧重。智能功率模块(Intelligent Power Module,IPM)往往专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的封装集成,也称为智能IGBT。电力MOSFET也有类似的模块。若是将电力电子器件与其控制、驱动、保护等所有信息电子电路都封装在一起,则往往称之为集成电力电子模块(Integrated Power Electronics Module,IPEM)。对中、大功率的电力电子装置来讲,往往不是一个模块就能胜任的,通常需要像搭积木一样由多个模块组成,这就是所谓的电力电子积块(Power Electronics Building Block,PEBB)。封装集成为处理高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热问题提供了有效思路,许多电力电子器件生产厂家和科研机构都投入到有关的研究和开发之中,因而最近几年封装集成获得了迅速发展。目前最新的智能功率模块产品已大量用于电动机驱动、汽车电子乃至高速子弹列车牵引这样的大功率场合。

功率集成电路和集成电力电子模块都是具体的电力电子集成技术。电力电子集成技术可以带来很多好处,比如装置体积减小、可靠性提高、用户使用更为方便以及制造、安装和维护的成本大幅度降低等,而且实现了电能和信息的集成,具有广阔的应用前景。 apJ8vV2zLMBhnE4X7xh3L05q1m0zO3HAEPde1CEDYAgQ40wwH3uYi7UtXBYVzYyY

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