电力电子器件的发展现状和技术对策

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1、电力电子器件的发展现状和技术对策2005-7-18摘要：叙述T电力电子器件的发展现状、主要技术和应用状况，并讨论了今后的发展方向。关键词电力电子器件，功率MOSFET，功率ICl引言电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中功率半导体器件和IC是电力电子技术的重要基础.近年来一直发展很快，其应用已橙盖了工业、民用、通信、交通等各个领域。分立功率器件能处理越来越高的电流和电压;功率lC中已将CMOS、高性能双极和高压功率输出器件组合在同一个芯片上，并可实现多种自检测和自保护功能。此外.还研制了多种MOS控制功率器件，它们可以很容易地与CM

2、OS控制电路接口，并且提高了阻断电压和电流处理容量。在器件和IC设计方面，CAD技术和模拟技术已由实验室走向实用。在工艺方面，介质隔离技术的研究取得了较大的进展，它的应用范围已从最初的通信扩展到电机控制和汽车等领域。在器件结构方面，使用RESURF技术和场限环来增大击穿电压，推进了横向集成器件的研究。本文将叙述国外电力电子器件的基本状况和发展i金径，并以功率MOSFET、IGBT、MOS门极晶闸管和功率IC为重点，介绍这些新型器件的产品性能及应用状况，最后将对我国电力电子器件的发展提出几点看法。2电力电子器件的发展途径和应用前景从复合型晶体管发明以来，以晶闸管和双极晶体管为

3、主干，发展了GTO、功率MOSFET、SIT、SITH、IGBT、MCT、功率集成电路等分枝，在各个领域中已得到广泛的应用。各种器件的允许功率和工作频率如图1所示。庞大的SCR和双极晶体管市场，很大部分已被这些新的器件所取代。图1功率半导体器件的允许功率和工作硕率十多年来，电力电子器件大致经历了三个发展阶段，也即有三个主要的发展途径:提高器件的电流、电压容量是一个贯穿始终的目标;从80年代初期开始，在低功耗、多功能方面也作了很多努力;从1988年开始，又提出了智能化的要求。下面将简要介绍在这三个方面所取得的进展。2.1大容量化功率器件的大容量化与其适用的频率有很大关系，随功

4、率变换装置的控制方式从PAM(脉幅调制)进展到正弦波PWM(脉宽调制)方式，领率也提高到ZokHz以上。与此相应，GTR(包括单个双极晶体管、达林顿管和GTR模块)代替了过去的SCR，可覆盖耐压1500v、电流100OA以下的领域。但在此容量以上时，由于GTR中hr。降低和饱和压降增大的问题更为突出，GTO和SCR就成了主流器件。目前，随IGBT等MOS复合器件的大容量化，即使过去认为是GTO领域的工业用电源和电车等也正在扩展到IGBT的应用范围。2.2低功耗、多功能化从低功耗方面考虑，双极晶体管比起GTO来关断增益高，反向偏置驱动电路简单，因此普及较早。进而出现了正向驱动

5、电路也能简单化的MOSFET。MOSFET有优良的开关性能，在耐压较低的情况下(如300V以下)导通电压也低，但由于是单极器件，不会产生电导率调制，在高耐压情况下有导通电压急剧增大的缺点，因此不可能全面替代双极晶体管。具有MOS结构的双极器件IGBT兼有两种器件的优点，作为在功率MOSFET所不能达到的应用领域内的器件而快速发展。它的频率可达到15kHz以上，在PwM控制的低噪声逆变器中起了主要作用。但与过去skH:驱动的双极逆变器比较，开关损耗大，冷却用散热片也需增大，效率低，这些问题在IGBT的普及中是个大的障碍。为了改善这种状况，最近开发了第三代IGBT，在具有高速开

6、关特性的同时，饱和电压达到与双极晶体管相当的ZV以下的水平，几乎接近IGBT的理论极限。今后还将采用开关性能与第三代IGBT相当、饱和电压进一步降低到IV左右的新型器件，如MOS「1极晶闸管等。2.3智能化最近几年除了开发及改进主电路功率部分中的功率器件外，包括外国控制电路和保护电路的智能功率IC的开发也很活跃。其主要方法一个是单片方式的智能功率IC，另一个是混合方式的智能功率模块。前者最初用低压MOSFET为主要器件，多用于汽车工业，最近以高耐压IGBT作主要器件的高压功率IC也已发表，适用于容量较小的功率变换装置和功率器件驱动电路等。后者最初以双极晶体管为主要器件，最近

7、以IGBT为主要器件的智能功率模块也己实用化，已在从l马力驱动的家庭用空调逆变器到工业用中、大容量逆变器中应用。今后随着功率器件性能的提高及需方对于设计时间短、组装工艺简单、装置小而轻等的要求，智能化器件的意义也将越来越大。关于将来的技术，预测起来比较困难。但我们知道，新的功率器件的普及与功率变换装置的控制方式有密切关系。同时事实也表明，逆变器控制方式的变化与开关电源控制方式的变化相类似。但时间要晚几年至10年左右。比如最近从降低开关损耗的观点出发，谐振型开关电源的普及进展很快，推断今后在逆变器领域中也将采用谐振型