MCT(MOS Controlled Thyristor)是指将MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。该器件结合了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。该器件是由数以万计的MCT元组成,每个元由一个PNPN晶闸管、一个控制该晶闸管开通的MOSFET和一个控制该晶闸管关断的MOSFET组成。但是MCT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,目前未能投入实际应用。
SIT(Static Induction Transistor)是一种结型场效应晶体管,还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,功率容量也比电力MOSFET大,适用于高频大功率场合。SIT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,使用不方便。此外,SIT通态电阻较大,使得通态损耗也大,SIT还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。
SITH可以看作是由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。该器件具有电导调制效应,其通态压降低、通流能力强,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,其应用范围还有待拓展。
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器件和其他辅助元件组成的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。容量与普通GTO相当,但开关速度比普通的GTO快10倍,而且可以简化普通GTO应用时庞大而复杂的缓冲电路,只不过其所需驱动功率仍然很大。目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争。
模块化是电力电子器件开发的一种新趋势。功率集成电路(Power Integrated Circuit,PIC)是指将电力电子器件与触发电路、控制电路和各种保护电路等集成在一个芯片上的集成电路。目前,PIC可分为3类:①高压集成电路(High Voltage IC,HVIC),主要用来控制功率输出;②智能功率模块(Intelligent Power Module,IPM),适应于电力电子技术高频化发展;③功率专用集成电路(Special IC,SIC),为特殊用途而设计的功率IC。迄今已有系列PIC产品问世,包括功率MOS智能开关、电源管理电路、半桥或全桥逆变器、电机驱动器、PWM专用SPIC、集成稳压器等。例如,Power Integration(PI)、美国国家半导体、Motorola、意法半导体、IXYS、Harris、SGS、安森美、TI等著名的国际公司在功率集成技术领域处于领先地位,它们已将功率集成电路产品系列化、标准化。其中,PI公司推出的TOP-SWITCH系列和TINY系列离线开关电源管理IC、DPA Switch系列高电压DC-DC转换IC和Link Switch系列小功率线性直流电源管理IC,以其简单、高效、可靠的特性在国内各种应用系统中得到迅速推广。
随着PIC的发展,智能功率集成电路(Smart Power IC,SPIC)和高压集成电路(High Voltage IC,HVIC)的分类在工作电压和器件结构上难以严格区分,统称为智能功率集成电路。SPIC的工作频率更高、功率更大、速度更快、功能更全,并最终向单片系统集成方向发展。目前,SPIC的主要研究内容是:能在高温下工作并具有较好坚固性的SPIC;开发高成品率、低成本工艺;大电流高速MOS控制并有自保护功能的横向功率器件等。SPIC在实现功率电子装置的小型化、智能化、节能化的领域内将会大有作为。
智能功率模块(IPM)一般专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成。IPM内部多采用IGBT作为功率器件。根据功率电路配置的不同,IPM内部可以集成多个IGBT单元,如常用的IPM内部封装了1个、2个(1个桥臂)、6个(三相变流器)或7个(三相变流器+能耗制动单元)IGBT。典型的IPM功能框图如图2.34所示。IPM内置驱动和保护电路,隔离接口电路需用户自己设计。如果选用集成6个或7个IGBT的IPM,用户除了设计隔离接口以外,根据生产厂家的不同,还要外加多路隔离驱动电源的电流采样电阻以及信号的滤波电路等,如三菱公司的IPMPS21564。
图2.34 IPM功能框图
IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠,缩短了系统开发时间,提高了故障中的自保护能力。与普通的IGBT模块相比,IPM在系统性能及可靠性方面都有进一步的提高。
电力电子技术的发展对电力电子器件性能的要求越来越高,越来越多的电力电子器件研究工作转向了对新型半导体材料制造新型电力电子器件的研究。研究结果表明,碳化硅(SiC)器件在高温、高频、高功率容量的应用场合是极为理想的电力电子器件。而氮化镓(GaN)器件理论上具有比碳化硅器件更好的高压、高频率特性。碳化硅器件和氮化镓器件自20世纪末以来得到非常迅速的发展,21世纪初开始有相应的产品推入市场。预计到2027年,碳化硅器件市场将从2021年的10亿美元业务增长到62亿美元。其中新能源汽车、可再生能源和工业是三大最有前景的应用领域。另一方面,由于碳化硅和氮化镓技术和产业的成熟,在电力电子系统中的应用场景越来越丰富,工程应用经验迅速得到积累,器件芯片技术、封装技术、可靠性技术和应用技术成为未来电力电子技术的新的方向和关键。
未来电力电子技术的发展趋势将朝着集成化、标准模块化、智能化、大容量、高频率、高效率、高可靠性和“节能、环保”的方向发展。虽然硅双极型器件和场控器件的研究已趋成熟,但它们的性能仍在不断得到提高和改善,采用碳化硅等新型材料制造电力电子器件,预示在不久的将来会诞生集高耐压、大电流、高工作频率、无吸收电路、简单门极驱动、低损耗等优点于一身的新型器件,实现人们对“理想器件”的追求,这也是未来电力电子器件发展的主要趋势。