大功率半导体器件的发展与展望

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1、1/20101大功率半导体器件的发展与展望钱照明，盛况（浙江大学，浙江杭州310027）摘　要：回顾了现代电力电子器件的发展历史，涉及的器件包括晶闸管、GTO、IGCT、MTO、IGBT、各种改进型的IGBT以及CoolMOS。叙述了采用新型材料的电力电子器件的发展和前景，应用碳化硅和氮化镓材料的功率器件正在迅速地发展，一些器件有望在不远的将来实现商品化，进入电力电子技术市场。关键词：电力电子器件；碳化硅；氮化镓；发展；展望中图分类号：TN31/387文献标识码：A文章编号：1671-8410(2010)0

2、1-0001-09DevelopmentandPerspectiveofHighPowerSemiconductorDeviceQIANZhao-ming,SHENGKuang(ZhejiangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310027,China)Abstract:Thedevelopinghistoryofmodernpowerelectronicdeviceisreviewed,whichincludesthyristor,GTO,IGCT,MTO,IGBT,improved

3、IGBTandCoolMOS.Thedevelopmentandperspectiveofpowerelectronicdevicewithnovelmaterialsareproposed.ThepowerdeviceapplyingSiCandGaNisinaspeedygrowing,someofwhichwillrealizecommercializationinthenearfutureandenterintothetechnologymarketofpowerelectronics.Keywor

4、ds:powerelectronicdevice;SiC;GaN;development;prospective0引言流器，如牵引变流器几乎都是基于晶闸管的。到了20世纪80年代中期，4.5kV的GTO得到广泛应用，并成为接电力电子器件发展至今已有近60年的历史，随着下来的10年内大功率变流器的首选器件，一直到IGBT一代新型电力电子器件的诞生，工业界往往都会掀起的阻断电压达到3.3kV之后，这个局面才得到改变。与一场革命浪潮。新型功率器件及其相关新型半导体材此同时，GTO技术的进一步改进导致了IGCT的问

5、世，它料的研究，一直是电力电子行业极为活跃的领域。显示出比传统GTO更加显著的优点。目前的GTO开关一种理想的功率半导体器件，应当具有理想的静频率大概为500Hz，由于开关性能的提高，IGCT和大功态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压；在导通状率IGBT的开通和关断损耗都相对较低，因此可以工作态，具有高的电流密度和低的导通压降；在开关状态和在1～3kHz的开关频率下。至2005年，以晶闸管为代表转换时，开、关时间短，能承受高的di/dt和dv/dt，具有7的半控型器件已达到7×10W/9000V的水平，全

6、控器低的开关损耗，并具有全控功能。件也发展到了十分高的水平。当前，功率半导体器件的自从20世纪50年代硅晶闸管问世以后，功率半导910水平基本稳定在10~10W·Hz，已逼近了由于寄生二体器件的研究工作者为实现上述理想目标做出了不懈极管制约而能达到的材料极限。的努力，并已取得了世人瞩目的成就。早期的大功率变1现代大功率半导体器件收稿日期：2009-11-15作者简介：钱照明（1939-），男，教授，博士生导师，目前主要研更高电压、更好开关性能的大功率器件的出现，使究领域为电力电子应用技术、电力电子系统电磁兼

7、容和电力电子系统集成等。在大功率应用场合不必要采用很复杂的电路拓扑，这2大功率半导体器件的发展与展望1/2010样就有效地降低了装置的故障率和成本。图1概括了当断期间dv/dt必须限制在500~1000V/μs。为此，人们不前市场上最主要的大功率半导体器件及其对应的电压得不使用体积大、质量大、价格昂贵的吸收电路。它的和电流等级。其他缺点是门极驱动电路较复杂，并需要较大的驱动功率。但是，其高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量和可以在内部集成一个反并二极管等突出的优点仍使人们对GTO感兴

8、趣。到目前为止,传统的GTO在高压、大功率牵引、工业和电力逆变器中仍是应用得最为普遍的门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6英寸、6kV/6kA以及9kV/10kA。这种GTO采用了大直径均匀结技术和全压接式结构，并通过少子寿命控制技术折衷了导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。由于GTO具有门极全控功能，它正在许多应用领域逐步取代SCR。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很有