2019年整理功率器件的發(fā)展歷程

1、功率器件的發(fā)展歷程IGBT GTR GTQ MOSFETIGBT、IGCT2009-12-08 08:49引言電力電子技術(shù)包括功率半導(dǎo)體器件與 IC 技術(shù)、功率變換技術(shù)及控制技術(shù)等 幾個(gè)方面，其中電力電子器件是電力電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)，也是電力電子技術(shù) 發(fā)展的“龍頭”。從1958年美國通用電氣（GE）公司研制出世界上第一個(gè)工業(yè)用 普通晶閘管開始，電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機(jī)組和靜止的離子變流器進(jìn) 入由電力電子器件構(gòu)成的變流器時(shí)代， 這標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生。 到了 70 年代，晶閘管開始形成由低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品。同時(shí)，非對(duì)稱 晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等晶閘管派

2、生器件相繼問世， 廣 泛應(yīng)用于各種變流裝置。由于它們具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、響 應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，其研制及應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。由于普通晶閘管不能自關(guān)斷，屬于半控型器件，因而被稱作第一代電力電 子器件。在實(shí)際需要的推動(dòng)下，隨著理論研究和工藝水平的不斷提高，電力電 子器件在容量和類型等方面得到了很大發(fā)展，先后出現(xiàn)了 GTR GTO功率MOSET等自關(guān)斷、全控型器件，被稱為第二代電力電子器件。近年來，電力電子器件 正朝著復(fù)合化、模塊化及功率集成的方向發(fā)展，如IGPT、MCT HVIC等就是這種發(fā)展的產(chǎn)物。電力整流管整流管產(chǎn)生于本世紀(jì) 40 年代，是電力電子器件中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、使用最廣泛 的一種器

3、件。目前已形成普通整流管、快恢復(fù)整流管和肖特基整流管等三種主 要類型。其中普通整流管的特點(diǎn)是：漏電流小、通態(tài)壓降較高（1 01 8V）、反向恢復(fù)時(shí)間較長 （幾十微秒 ） 、可獲得很高的電壓和電流定額。多用于牽引、充 電、電鍍等對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求不高的裝置中。較快的反向恢復(fù)時(shí)間 （幾百納秒至幾 微秒）是快恢復(fù)整流管的顯著特點(diǎn)，但是它的通態(tài)壓降卻很高（1 6 4 0V） 。它主要用于斬波、逆變等電路中充當(dāng)旁路二極管或阻塞二極管。肖特基整流管兼 有快的反向恢復(fù)時(shí)間 （幾乎為零）和低的通態(tài)壓降 （0.3 0.6V） 的優(yōu)點(diǎn)，不過其漏 電流較大、 耐壓能力低， 常用于高頻低壓儀表和開關(guān)電源。 目前的研制水平

4、為 : 普通整流管 (8000V/5000A/400Hz) ； 快恢復(fù)整流管 (6000V/1200A/1000Hz) ； 肖 特基整流管 (1000V/100A/200kHz) 。電力整流管對(duì)改善各種電力電子電路的性能、降低電路損耗和提高電源使 用效率等方面都具有非常重要的作用。隨著各種高性能電力電子器件的出現(xiàn)， 開發(fā)具有良好高頻性能的電力整流管顯得非常必要。目前，人們已通過新穎結(jié) 構(gòu)的設(shè)計(jì)和大規(guī)模集成電路制作工藝的運(yùn)用，研制出集 PIN 整流管和肖特基整 流管的優(yōu)點(diǎn)于一體的具有 MPS SPEE和SSD等結(jié)構(gòu)的新型高壓快恢復(fù)整流管。 它們的通態(tài)壓降為1V左右，反向恢復(fù)時(shí)間為PIN整流管的1

5、/2，反向恢復(fù)峰值 電流為PIN整流管的1/3。普通晶閘管及其派生器件晶閘管誕生后，其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和工藝的改革，為新器件的不斷出現(xiàn)提供了 條件。1964年，雙向晶閘管在GE公司開發(fā)成功，應(yīng)用于調(diào)光和馬達(dá)控制；1965 年，小功率光觸發(fā)晶閘管出現(xiàn)，為其后出現(xiàn)的光耦合器打下了基礎(chǔ)； 60 年代后 期，大功率逆變晶閘管問世，成為當(dāng)時(shí)逆變電路的基本元件； 1974 年，逆導(dǎo)晶 閘管和非對(duì)稱晶閘管研制完成。普通晶閘管廣泛應(yīng)用于交直流調(diào)速、調(diào)光、調(diào)溫等低頻(400Hz 以下)領(lǐng)域，運(yùn)用由它所構(gòu)成的電路對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行控制和變換是一種簡(jiǎn)便而經(jīng)濟(jì)的辦法。不過， 這種裝置的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生波形畸變和降低功率因數(shù)、影響電網(wǎng)的質(zhì)

6、量。目前水平 為 12kV/1kA 和 6500V/4000A。雙向晶閘管可視為一對(duì)反并聯(lián)的普通晶閘管的集成，常用于交流調(diào)壓和調(diào) 功電路中。正、負(fù)脈沖都可觸發(fā)導(dǎo)通，因而其控制電路比較簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)是換 向能力差、觸發(fā)靈敏度低、關(guān)斷時(shí)間較長，其水平已超過 2000V/500A。 光控晶閘管是通過光信號(hào)控制晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的器件，它具有很強(qiáng)的抗干擾能 力、良好的高壓絕緣性能和較高的瞬時(shí)過電壓承受能力，因而被應(yīng)用于高壓直 流輸電(HVDC)靜止無功功率補(bǔ)償(SVC)等領(lǐng)域。其研制水平大約為 8000V/3600A。逆變晶閘管因具有較短的關(guān)斷時(shí)間（1015s）而主要用于中頻感應(yīng)加熱。在 逆變電路中，它已讓

7、位于 GTR GTQ IGBT等新器件。目前，其最大容量介于 2500V/1600A/1kHz 和 800V/50A/20kHz 的范圍之內(nèi)。非對(duì)稱晶閘管是一種正、反向電壓耐量不對(duì)稱的晶閘管。而逆導(dǎo)晶閘管不 過是非對(duì)稱晶閘管的一種特例，是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯 上的功率集成器件。與普通晶閘管相比，它具有關(guān)斷時(shí)間短、正向壓降小、額 定結(jié)溫高、高溫特性好等優(yōu)點(diǎn)，主要用于逆變器和整流器中。目前，國內(nèi)有廠 家生產(chǎn)3000V/900A的非對(duì)稱晶閘管。全控型電力電子器件 門極可關(guān)斷晶閘管（ GTO）1964年，美國第一次試制成功了 500V/10A的GTG在此后的近10年內(nèi)， GTO勺容量

8、一直停留在較小水平，只在汽車點(diǎn)火裝置和電視機(jī)行掃描電路中進(jìn)行 試用。自70年代中期開始，GTO勺研制取得突破，相繼出世了 1300V/600A、 2500V/1000A、4500V/2400A 的產(chǎn)品，目前已達(dá) 9kV/25kA/800Hz 及 6Hz/6kA/1kHz 的水平。GTG有對(duì)稱、非對(duì)稱和逆導(dǎo)三種類型。與對(duì)稱 GTG相比，非對(duì)稱GTG 態(tài)壓降小、抗浪涌電流能力強(qiáng)、易于提高耐壓能力（3000 V以上）。逆導(dǎo)型GTO是在同一芯片上將GTG與整流二極管反并聯(lián)制成的集成器件，不能承受反向電 壓，主要用于中等容量的牽引驅(qū)動(dòng)中。在當(dāng)前各種自關(guān)斷器件中，GTG容量最大、工作頻率最低（12kHz）

9、。GTC是 電流控制型器件，因而在關(guān)斷時(shí)需要很大的反向驅(qū)動(dòng)電流；GTG通態(tài)壓降大、dV/dT及di/dt耐量低，需要龐大的吸收電路。目前，GTGS然在低于2000V的 某些領(lǐng)域內(nèi)已被GTR和IGRT等所替代，但它在大功率電力牽引中有明顯優(yōu)勢(shì)； 今后，它也必將在高壓領(lǐng)域占有一席之地。大功率晶體管（ GTR）GTF是一種電流控制的雙極雙結(jié)電力電子器件，產(chǎn)生于本世紀(jì)70年代，其額定值已達(dá) 1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具備 晶體管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、 開關(guān)損耗小、開關(guān)時(shí)間短，在電源、電機(jī)控

10、制、通用逆變器等中等容量、中等 頻率的電路中應(yīng)用廣泛。GTR的缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電流較大、耐浪涌電流能力差、易受 二次擊穿而損壞。在開關(guān)電源和UPS內(nèi)，GTRE逐步被功率MOSFE和IGBT所代 替。功率 MOSFET功率MOSFE是一種電壓控制型單極晶體管，它是通過柵極電壓來控制漏極 電流的，因而它的一個(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率?。?僅由多數(shù)載流 子導(dǎo)電，無少子存儲(chǔ)效應(yīng)，高頻特性好，工作頻率高達(dá)100kHz以上，為所有電力電子器件中頻率之最，因而最適合應(yīng)用于開關(guān)電源、高頻感應(yīng)加熱等高頻場(chǎng) 合；沒有二次擊穿問題，安全工作區(qū)廣，耐破壞性強(qiáng)。功率MOSFE的缺點(diǎn)是電流容量小、耐壓低、通態(tài)壓降大，不

11、適宜運(yùn)用于大功率裝置。目前制造水平大 概是 1kV/2A/2MHz和 60V/200A/2MHz復(fù)合型電力電子器件 絕緣門極雙極型晶體管（ IGBT）IGBT是由美國GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，當(dāng)時(shí)容量?jī)H 500V/20A，且存在一些技術(shù)問題。經(jīng)過幾年改進(jìn)，IGBT于1986年開始正式生產(chǎn) 并逐漸系列化。至90年代初，IGBT已開發(fā)完成第二代產(chǎn)品。目前，第三代智能 IGBT已經(jīng)出現(xiàn)，科學(xué)家們正著手研究第四代溝槽柵結(jié)構(gòu)的IGBT。IGBT可視為雙 極型大功率晶體管與功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的復(fù)合。通過施加正向門極電壓形成溝 道、提供晶體管基極電流使IGBT導(dǎo)通；反之，若提供反向門極電壓則

12、可消除 溝道、使IGBT因流過反向門極電流而關(guān)斷。IGBT集GTRS態(tài)壓降小、載流密度 大、耐壓高和功率MOSFE驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好 的優(yōu)點(diǎn)于一身，因此備受人們青睞。它的研制成功為提高電力電子裝置的性能， 特別是為逆變器的小型化、高效化、低噪化提供了有利條件。比較而言，IGBT的開關(guān)速度低于功率 MOSFET卻明顯高于GTR IGBT的通 態(tài)壓降同GTF相近，但比功率MOSFE低得多；IGBT的電流、電壓等級(jí)與GTF接 近，而比功率MOSFE高。目前，其研制水平已達(dá) 4500V/1000A。由于IGBT具有 上述特點(diǎn)，在中等功率容量（600V以上）的UPS開關(guān)電源及

13、交流電機(jī)控制用 PWM 逆變器中，IGBT已逐步替代GTF成為核心元件。另外，IF公司已設(shè)計(jì)出開關(guān)頻 率高達(dá)150kHz的WAR系列400600VIGBT其開關(guān)特性與功率 MOSFE接近， 而導(dǎo)通損耗卻比功率 MOSFE低得多。該系列IGBT有望在高頻150kHz整流器中 取代功率MOSFET并大大降低開關(guān)損耗。IGBT的發(fā)展方向是提高耐壓能力和開關(guān)頻率、降低損耗以及開發(fā)具有集成 保護(hù)功能的智能產(chǎn)品。MO腔制晶閘管（MCT）MCT最早由美國GE公司研制，是由MOSFE與晶閘管復(fù)合而成的新型器件。 每個(gè)MCT器件由成千上萬的MCT元組成，而每個(gè)元又是由一個(gè) PNPN晶閘管、一 個(gè)控制MCT導(dǎo)通的

14、MOSFE和一個(gè)控制MCT關(guān)斷的MOSFE組成。MCT工作于超掣 住狀態(tài)，是一個(gè)真正的PNPN器件，這正是其通態(tài)電阻遠(yuǎn)低于其它場(chǎng)效應(yīng)器件的 最主要原因。MCT既具備功率MOSFE輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快的 特性，又兼有晶閘管高電壓、大電流、低壓降的優(yōu)點(diǎn)。其芯片連續(xù)電流密度在 各種器件中最高，通態(tài)壓降不過是IGBT或GTR勺1/3，而開關(guān)速度則超過GTR 此外，由于MC沖的MOSFE元能控制MCT芯片的全面積通斷，故 MCT具有很強(qiáng) 的導(dǎo)通di/dt和阻斷dV/dt能力，其值高達(dá)2000A/ s和2000V/ s。其工作結(jié) 溫亦高達(dá)150200C。已研制出阻斷電壓達(dá) 4000V的MCT

15、 75A/1000VMCTE應(yīng) 用于串聯(lián)諧振變換器。隨著性能價(jià)格比的不斷優(yōu)化，MCT將逐漸走入應(yīng)用領(lǐng)域并有可能取代高壓GTO與IGBT的競(jìng)爭(zhēng)亦將在中功率領(lǐng)域展開。功率集成電路（ PIC）PIC是電力電子器件技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵接口元件。將功率器件及其驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、接口電路等外圍電路集成在 一個(gè)或幾個(gè)芯片上，就制成了 PIC。一般認(rèn)為，PIC的額定功率應(yīng)大于1W功率 集成電路還可以分為高壓功率集成電路（HVIC）、智能功率集成電路（SPIC）和智 能功率模塊 （IPM） 。HVIC是多個(gè)高壓器件與低壓模擬器件或邏輯電路在單片上的集成，由于它的功率器件是橫向的、電

16、流容量較小，而控制電路的電流密度較大，故常用于 小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)、平板顯示驅(qū)動(dòng)及長途電話通信電路等高電壓、小電流場(chǎng)合。已 有 110V/13A和 550V/0.5A、80V/2A/200kHz 以及 500V/600mA勺 HVIC分別用于 上述裝置。SPIC是由一個(gè)或幾個(gè)縱型結(jié)構(gòu)的功率器件與控制和保護(hù)電路集成而成，電 流容量大而耐壓能力差，適合作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、汽車功率開關(guān)及調(diào)壓器等。IPM除了集成功率器件和驅(qū)動(dòng)電路以外，還集成了過壓、過流、過熱等故障 監(jiān)測(cè)電路，并可將監(jiān)測(cè)信號(hào)傳送至CPU以保證IPM自身在任何情況下不受損壞。 當(dāng)前，IPM中的功率器件一般由IGBT充當(dāng)。由于IPM體積小、可靠性高、

17、使用 方便，故深受用戶喜愛。IPM主要用于交流電機(jī)控制、家用電器等。已有 400V/55kW/20kHz IPM 面市。自1981年美國試制出第一個(gè)PIC以來，PIC技術(shù)獲得了快速發(fā)展；今后，PIC 必將朝著高壓化、智能化的方向更快發(fā)展并進(jìn)入普遍實(shí)用階段。電力電子器件的應(yīng)用已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活的各個(gè)方面，實(shí)際的需 要必將極大地推動(dòng)器件的不斷創(chuàng)新。 微電子學(xué)中的超大規(guī)模集成電路技術(shù)將在 電力電子器件的制作中得到更廣泛的應(yīng)用； 具有高載流子遷移率、強(qiáng)的熱電傳 導(dǎo)性以及寬帶隙的新型半導(dǎo)體材料，如砷化鎵、碳化硅、人造金剛石等的運(yùn)用 將有助于開發(fā)新一代高結(jié)溫、高頻率、高動(dòng)態(tài)參數(shù)的器件。從結(jié)構(gòu)看，器

18、件將 復(fù)合型、模塊化； 從性能看，發(fā)展方向?qū)⑹翘岣呷萘亢凸ぷ黝l率、降低通態(tài)壓 降、減小驅(qū)動(dòng)功率、改善動(dòng)態(tài)參數(shù)和多功能化；從應(yīng)用看，MPS電力整流管、MOSFETIGBT、MCT是最有發(fā)展前景的器件。今后研制工作的重點(diǎn)將是進(jìn)一步改 善MPS的軟反向恢復(fù)特性，提高IGBT和MCT的開關(guān)頻率和額定容量，研制智能 MOSFE和 IGBT模塊，發(fā)展功率集成電路以及其它功率器件。GTO各繼續(xù)在超高壓、大功率領(lǐng)域發(fā)揮作用；功率MOSFE在高頻、低壓、小功率領(lǐng)域具有竟?fàn)巸?yōu)勢(shì)； 超高壓 （8000V 以上）、大電流普通晶閘管在高壓直流輸電和靜止無功功 率補(bǔ)償裝置中的作用將會(huì)得到延續(xù)，而低壓普通晶閘管和GTR則將

19、逐步被功率MOSFET（600以下）和IGBT（600V以上）所代替；MCT最具發(fā)展前途?？梢灶A(yù)見， 電力電子器件的發(fā)展將會(huì)日新月異，電力電子器件的未來將充滿生機(jī)。新型電力電子器件 IGCT 及其應(yīng)用2010-3-24 16:47:00 來源：作者：IGCT 是一種在大功率開關(guān)器件 GTO 基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的新型大功率電力電 子器件。和 GTO 相比， IGCT 的關(guān)斷時(shí)間降低了 30%，功耗降低 40%。 IGCT 不需要吸收電路，可以像晶閘管一樣導(dǎo)通，像 IGBT 一樣關(guān)斷，并且具有最低 的功率損耗。 IGCT 在使用時(shí)只需將它連接到一個(gè) 20V 的電源和一 根光纖上就 可以控制它的開通和關(guān)

20、斷。由于 IGCT 設(shè)計(jì)理想，使得 IGCT 的開通損耗可以忽 略不計(jì)，再加上它的低導(dǎo)通損耗，使得它可以在以往大功率半導(dǎo)體器件所無法 滿足的高頻率下運(yùn)行。概述一個(gè)理想的功率器件， 應(yīng)當(dāng)具有下列理想的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性 :在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)， 能承受較高的電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，能承受大電流并具有很低的壓降；在開關(guān) 轉(zhuǎn)換時(shí)，開/關(guān)速度快，能承受很高的di/dt和dv/dt，同時(shí)還應(yīng)具有全控功能。自從 50 年代硅晶閘管問世以后，功率半導(dǎo)體器件的研究工作者為達(dá)到上述 理想目標(biāo)做出了不懈的努力。 60年代后期， 可關(guān)斷晶閘管 GTO 實(shí)現(xiàn)了門極可關(guān) 斷功能， 并使斬波工作頻率擴(kuò)展到 1kHz 以上。 70年代中期

21、， 高功率晶體管和功 率 MOSFET 問世，功率器件實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)控功能， 打開了高頻應(yīng)用的大門。 80年代， 絕緣柵門控雙極型晶體管（IGBT）問世，它綜合了功率MOSFET和雙極型功率 晶體管兩者的功能。它的迅速發(fā)展，又激勵(lì)了人們對(duì)綜合功率 MOSFET 和晶閘 管兩者功能的新型功率器件 -MOSFET 門控晶閘管的研究。因此，當(dāng)前功率器件 研究工作的重點(diǎn)主要集中在研究現(xiàn)有功率器件的性能改進(jìn)、 MOS 門控晶閘管以 及采用新型半導(dǎo)體材料制造新型的功率器件等。大功率器件及其發(fā)展門極關(guān)斷晶閘管（ GTO）大功率晶閘管（SCR）在過去相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，幾乎是能夠承受高電壓和大 電流的唯一半導(dǎo)體器件。因

22、此，針對(duì) SCR的缺點(diǎn)，人們很自然地把努力方向引 向了如何使晶閘管具有關(guān)斷能力這一點(diǎn)上，并因此而開發(fā)出了門極關(guān)斷晶閘管。用 GTO 晶閘管作為逆變器件取得了較為滿意的結(jié)果，但其關(guān)斷控制較易失 敗，故仍較復(fù)雜，工作頻率也不夠高。而幾乎是與此同時(shí)，電力晶體管（ GTR） 迅速發(fā)展起來，使 GTO 晶閘管相形見綽。因此，在大量的中小容量變頻器中，GTO 晶閘管已基本不用。但因其工作電流大，故在大容量變頻器中仍居主要地 位。絕緣柵雙極晶體管（ IGBT ）IGBT 是 MOSFET 和 GTR 相結(jié)合的產(chǎn)物。其主體部分與晶體管相同，也有集電極（C）和發(fā)射極（E）,但驅(qū)動(dòng)部分卻和場(chǎng)效應(yīng)晶體管相同， 是絕

23、緣柵結(jié)構(gòu)。20kHz。由 IGBT 作IGBT 的工作特點(diǎn)是：控制部分與場(chǎng)效應(yīng)晶體管相同，控制信號(hào)為電壓信號(hào) UGE，輸人阻抗高，柵極電流IG - 0,驅(qū)動(dòng)功率很小。而其主電路部分則與GTR 相同，工作電流為集電極電流輸入。此外，其工作頻率可達(dá) 為逆變器件的變頻器的載波頻率一般都在 10kHz 以上,故電動(dòng)機(jī)的電流波形比 較平滑,基本無電磁噪聲。雖然硅雙極型及場(chǎng)控型功率器件的研究已趨成熟,但是它們的性能仍在不 斷提高和改善，近年來出現(xiàn)的集成門極換流晶閘管（IGCT ）可望迅速地取代GTO。集成門極換流晶閘管 （ IGCT）集成門極換流晶閘管 IGCT（ Integrated Gate Comm

24、utated Thyristo）r 是 1996 年問世的一種新型半導(dǎo)體開關(guān)器件。該器件是將門極驅(qū)動(dòng)電路與門極換流晶閘 管 GCT 集成于一個(gè)整體形成的。門極換流晶閘管 GCT 是基于 GTO 結(jié)構(gòu)的一種 新型電力半導(dǎo)體器件,它不僅有與 GTO 相同的高阻斷能力和低通態(tài)壓降,而且 有與 IGBT 相同的開關(guān)性能,即它是 GTO 和 IGBT 相互取長補(bǔ)短的結(jié)果,是一 種較理想的兆瓦級(jí)、中壓開關(guān)器件,非常適合用于 6kV 和 10kV 的中壓開關(guān)電 路。IGCT芯片在不串不并的情況下，二電平逆變器容量 0.5M3MVA，三電平 逆變器1M6MVA。若反向二極管分離，不與IGCT集成在一起，二電平

25、逆變 器容量可擴(kuò)至4.5MVA，三電平擴(kuò)至9MVA，現(xiàn)在已有這類器件構(gòu)成的變頻器系 列產(chǎn)品。目前, IGCT 已經(jīng)商品化, ABB 公司制造的 IGCT 產(chǎn)品的最高性能參數(shù) 為4.5kV/4kA，最高研制水平為6kV/4kA。1998年，日本三菱公司開發(fā)了直 徑為 88mm 的 6kV4kA 的 GCT 晶閘管。IGCT 的結(jié)構(gòu)與工作原理IGCT 與 GTO 相似,也是四層三端器件, GCT 內(nèi)部由成千個(gè) GCT 組成, 陽 極和門極共用,而陰極并聯(lián)在一起。與 GTO 的重要差別是 GCT 陽極內(nèi)側(cè)多了 緩沖層,以透明（可穿透）陽極代替 GTO 的短路陽極。其導(dǎo)通機(jī)理與 GTO 一 樣,但關(guān)斷

26、機(jī)理與 GTO 完全不同。在 GCT 的關(guān)斷過程中, GCT 能瞬間從導(dǎo)通 轉(zhuǎn)到阻斷狀態(tài), 變成一個(gè) PNP 晶體管以后再關(guān)斷, 所以,它無外加 dudt 限制；GTO而 GTO 必須經(jīng)過一個(gè)既非導(dǎo)通又非關(guān)斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即區(qū)，所以GTO需要很大的吸收電路來抑制重加電壓的變化率 du/dt。阻斷狀 態(tài)下GCT的等效電路可認(rèn)為是一個(gè)基極開路、低增益PNP晶體管與門極電源的 串聯(lián)。GCT 無中間區(qū)、無緩沖關(guān)斷的機(jī)理在于，強(qiáng)關(guān)斷時(shí)可使它的陰極注入瞬時(shí) 停止，不參與以后過程。改變器件在雙極晶體管模式下關(guān)斷，前提是在 P 基 N 發(fā)射結(jié)外施加很高負(fù)電壓，使陽極電流很快由陰極轉(zhuǎn)移(或換向)至門

27、極(門 極換向晶閘管即由此得名) ，不活躍的 NPN 管一停止注入， PNP 管即因無基極 電流容易關(guān)斷。 GCT 成為 PNP 管早于它承受全阻斷電壓的時(shí)間，而 GTO 卻是 赟CR轉(zhuǎn)態(tài)下承受全阻斷電壓的，所以 GCT可像IGBT無緩沖運(yùn)行，無二次擊 穿，拖尾電流雖大但時(shí)間很短。IGCT 的關(guān)鍵技術(shù)(1) 緩沖層 在傳統(tǒng)GTO、二極管及IGBT等器件中，采用緩沖層形成穿通型 (PT)結(jié)構(gòu)，與非穿通型(NPT)結(jié)構(gòu)相比，它在相同的阻斷電壓下可使器件的厚度降低約 30%。同理，在 GCT 中采用緩沖層，即用較薄的硅片可達(dá)到相同 的阻斷電壓，因而提高了器件的效率，降低了通態(tài)壓降和開關(guān)損耗，可得到較

28、 好的VT-Eoff。同時(shí)，采用緩沖層還使單片 GCT與二極管的組合成為可能。(2) 透明陽極 為了實(shí)現(xiàn)低的關(guān)斷損耗，需要對(duì)陽極晶體管的增益加以限制， 因而要求陽極的厚度要薄， 濃度要低。 透明陽極是一個(gè)很薄的 PN 結(jié)，其發(fā)射效 率與電流有關(guān)。因?yàn)殡娮哟┩冈撽枠O時(shí)就像陽極被短路一樣，因此稱為透明陽 極。傳統(tǒng)的 GTO 采用陽極短路結(jié)構(gòu)來達(dá)到相同目的。采用透明陽極來代替陽極 短路，可使GCT的觸發(fā)電流比傳統(tǒng)無緩沖層的 GTO降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。GCT的 結(jié)構(gòu)與 IGBT 相比，因不含 MOS 結(jié)構(gòu)而從根本上得以簡(jiǎn)化。( 3)逆導(dǎo)技術(shù) GCT 大多制成逆導(dǎo)型，它可與優(yōu)化續(xù)流二極管 FWD 單片集成

29、在同一芯片上。由于二極管和GCT享有同一個(gè)阻斷結(jié)，GCT的P基區(qū)與二極管 的陽極相連，這樣在 GCT 門極和二極管陽極間形成電阻性通道。逆導(dǎo) GCT 與 二極管隔離區(qū)中因?yàn)橛蠵NP結(jié)構(gòu)，其中總有一個(gè)PN結(jié)反偏，從而阻斷了 GCT 與二極管陽極間的電流流通。( 4)極驅(qū)動(dòng)技術(shù) IGCT 觸發(fā)功率小，可以把觸發(fā)及狀態(tài)監(jiān)視電路和 IGCT 管芯 做成一個(gè)整體，通過兩根光纖輸入觸發(fā)信號(hào)，輸出工作狀態(tài)信號(hào)。 GCT 與門極 驅(qū)動(dòng)器相距很近(間距 15cm),該門極驅(qū)動(dòng)器可以容易地裝人不同的裝置中， 因此可認(rèn)為該結(jié)構(gòu)是一種通用形式。 為了使 IGCT 的結(jié)構(gòu)更加緊湊和堅(jiān)固， 用門極驅(qū)動(dòng)電路包圍GCT，并與

30、GCT和冷卻裝置形成一個(gè)自然整體，稱為環(huán)繞型 IGCT,其中包括GCT門極驅(qū)動(dòng)電路所需的全部元件。這兩種形式都可使門極電 路的電感進(jìn)一步減小，并降低了門極驅(qū)動(dòng)電路的元件數(shù)、熱耗散、電應(yīng)力和內(nèi) 部熱應(yīng)力，從而明顯降低了門極驅(qū)動(dòng)電路的成本和失效率。所以說， IGCT 在實(shí) 現(xiàn)最低成本和功耗的前提下有最佳的性能。另外， IGCT 開關(guān)過程一致性好，可 以方便地實(shí)現(xiàn)串、并聯(lián)，進(jìn)一步擴(kuò)大功率范圍?？傊诓捎镁彌_層、透明陽極、逆導(dǎo)技術(shù)和門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)后， IGCT 從 GTO中脫穎而出，在所有中高壓領(lǐng)域及功率為0.5M100MVA的應(yīng)用中代替了 GTO。IGCT 變頻器低壓 IGBT 和高壓 IGBT 在高電壓變頻器中都采用。 IGBT 具有快速的開關(guān) 性能，但在高壓變頻中其導(dǎo)電損耗大，而且需要許多 IGBT 復(fù)雜地串聯(lián)在一起。 對(duì)低壓 IGBT 來講，高壓 IGBT 串聯(lián)的數(shù)量相對(duì)要少一些，但導(dǎo)電損耗卻更高。 元件總體數(shù)量增加使變頻器可靠性降低、