电力半导体器件_上册(编辑修改稿)

电力半导体器件_上册(编辑修改稿)内容摘要：

....................................... 139 晶闸管设计的特点 ............................................................................... 139 设计方法与步骤 ................................................................................... 139 晶闸管的设计原则 ............................................................................... 139 晶闸管设计方法 ............................................................................................ 140 设计思想 ............................................................................................. 140 晶闸管设计的主要因素 ........................................................................ 140 纵向结 构的设计 ................................................................................... 141 横向结构（门极－阴极图形）设计 ....................................................... 144 晶闸管设计举例 ............................................................................................ 148 4 设计技术 指标 ...................................................................................... 148 设计思想 ............................................................................................. 148 设计计算 ............................................................................................. 148 验算 .................................................................................................... 152 5 第一章 电力半导体器件的发展概况 1956 年 可控 硅 整流器 (英文缩写 SCR， 泛称晶闸管 )的发明并于次 年 由 GE 公司推出商品，是半导体应用由弱电跨入强电的里程 碑。 其后平面工艺和外延技术的发明，又使半 导体器件向两大分支发展： 一支以晶体管或其它半导体器件组成愈来愈小的集成电路，为适应微型化发展，形成了以半导体集成电路为主体的新兴学科一微电子学；另一分支则是以晶 闸 管为主体的功率 (电力 )半导体分立器件，向 愈来愈大的功率方向发展，为解 决 电力电子与控制技术形成了以静态功率变换和电子控制为主要内容的新兴边缘学科 —— 电力电子学。 电力半导体器件与电力电子技术 1973 年， Newell在第四届硅电力电子学专家会议（ PESC）上提出，电力电子学是介于电器工程三大领域：电力、电子与控制之间的边缘学科，并用 图 1－ 1 的所谓“倒三角”定义来说明。 这一定义已被国际上所公认。 根据“倒三角”定义，电力电子学就是已晶闸管为主体的功率（电力）半导体器件为核心部件，跨于电力、电子和控制三大领域的一门边缘学科。 图 1－ 1 电力电子学“倒三角”定义 作为 边缘学科的电力电子学，它所包含的内容及其广泛，既有半导体器件问题，也有电路、控制、装置即器件的应用问题。 尽管它们都有各自的理论装置、系统和发展方向，但它们之间又是 相互关联的。 电力半导体器件的发展，特别是新型器件的出现和采用，都会以自己的特长占有不同的应用领域，使应用面不断拓宽和扩大；反过来，电力电子技术的发展对器件提出更高的要求 ，又会促进器件的性能的提高和新器件的发展。 因为用什么器件的串、并联技术，用什么样的电路来实现装置设备，反映了器件与线路之间的关系。 新的器件能促进电路达 到新的水平，而新的电路则可祢补器件性能之不足。 为了使电路达到更完善的水平，还必须提高控制水平；这就要求采用新的控制方式和使用 新的工具。 但是，器件、电路及系统控制的最终目的是要完成一个实用的电力电子装置。 由此可见，电力电子学把器件、装 置、控制系统紧密地联系在一起，它们相辅相戍，形成一个具有内在系统性的有机体。 作为一门应用科学 ， 它广泛应用于科学研究，国民经济中的电力、 交通 、通讯、冶金、机械、化工、仪器仪表及国防工业等部门，并逐步推广到家用电器等应用领域。 特别是电力电子技术作为节能最富有成效的技术之一，已成为发 展快、生命力强的技术之 一。 6 电力电子技术作为 国民经济 各项高技术发展的 基础技术， 为大 幅度节能， 机电 一体化，提高生产效能提供主要支撑技术，而电力电子技术的核心和基础则是电力半导体器件。 电力半导体器件的分类与发展 电力电子 技术发展的快慢，在很大程度上取决于电力 电子器件 的发展 水平。 器件 容量的扩大和 结构原理的更新 ，特别是新型 器件的出现 都是各种 应用 技术发展 的 要求和半导体 器件理论 、半导体材抖、半导体 工艺发展的 结果。 近 几十 年来，新技术、新工艺方 面 就出现了中子姬变掺杂，电子辐照、 γ辐照的寿命控制技术；器件的 CAD 技术； PN结 表面 造型 及终端技术；器件的高可靠技术等；以及由微电子技术引入的精细加工技术 ，等等。 电力半导体器件的基本理论，从电流模式发展到电荷控制 模式 ；出现了短路阴极理论；表面理论； GTO晶闸管从一维关断理 论 发展为二维关断模式，引入了阳极短路，隐埋门极等新结构； GTR的达林顿结构形式 引伸 到各种复合器件，并成为 MOS 一双极型复合器件的基本结构形式；特别是微电子技求与电力器件制造技术相结合所产生的集成功 率 器件，使得以往不被人们重视的电力半 导 体一跃而成为高科技发 展 之列。 此外，器件的封装已由 压 焊发展到压接式和全压 接结构。 总之， 电 力半导体已在材料、器件基本理论、设计原理、制造技术等 诸 方面形成了自己的体系和发展方向，成为半导体的一大独立分 支。 下面简要介绍各类器件的发展概况。 双极型电力半导体器件 50年代第一个晶闸管和双极晶体管成为商品，标志着固态电力电子技术的开始。 此后， 双极型半控器件 (如 :晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等 )和全控型器件 (门极可关断晶闸 管、电力晶体管、静电感应晶闸管等 )相继出现，品类繁多，且其电压、电流等额定值得到 稳定提高。 特别是 70 年代 NTD 硅单晶的试制成功，双扩散工艺的 成熟以及双正角造型技术的使用，使器件的电压、电流、频率等额定值达到很高水平。 图 11 (a)和 (b)分别示出了普通晶闸管、光控晶闸管、快速晶闸管的目前水平及其发展趋势。 图 12 (a)和 (b)分别示出了 GTO , SITH 的目前水平及其发展趋势。 虽然这些器件已在电力电子技术领域得到广泛的应用，但由于 SCR , LTT 等半控器件存在着不能用门极控制其关断，因而需要繁锁、复杂的辅助关断电路；又由于 GTO， GTR 等全控器件存在着需要较大的控制电流，因而需要由分立器件组成的庞大门极控制电路等原因，使这些器件的发展和 使用受到很大的影响。 7 图 11 普通晶闸管、光控晶闸管及快速晶闸 管的额定值 (a)及其发展趋势 (b) 8 图 12 可关断晶闸管、静电感应晶闸管的额定 值 (a)及其发展趋势 (b) 目前相控晶闸管已广泛用于直流电机调速，交流风机和水泵的变压调速以及调光、调温等领域。 虽然相控方法在交流电网内产生谐波和较差的功率因数，而且其使用正在逐步减少，但这是一种电网电压控制和变换的经济而简便的方法，特别是相控的固有特点是电网电流过零时关断晶闸管，因此不会产生大的关断损耗，它将被很好地使用到下一个世纪。 快速晶闸管具有短的关断时间 (一般在 10～ 50μs)，这种器件常用于直流变交流的逆变电路内，并用外部电路使其强迫关断。 随着 GTO, GTR 和 IGBT 的出现，使快速晶闸管在很大一 部分逆变电路内失去了应用。 目前它主要用于感应加热。 高 Q 因子的感应加热线圈需要一个补偿电容器来消除电源与负载之间的环流无功功率，因此感应加热逆变器需要做成高 Q的谐振负载，这就需要简单自然换向的快速晶闸管，而 高压领域 GTO 还将占有一席之地。 静电感应晶闸管 (SITH)与 GTO 相似是一种“擎住”开关，与 GTO 不同之处它是一种 非对称阻 断的常通型器件，实质上是一个场控二极管，可在门极上加负偏压来阻断 SITH。 在硬开关应用中，只需将门极电压从负变为正即可使 SITH 开通。 开通时所需驱动电流相对较低，但关断时所需驱动电流很大，其关断电流增益只有 1~3，通态电压降亦比 GTO 大。 由于 SITH 在开通和关断时是在整个硅片面积内均匀进行，因此它的 di/dt 承受能力很高，而再加上 dvdt 能力至少要比 GTO 器件高一个数量极，这此特性大丈降低或消除了因 di/dt 和 dvdt 所需的吸收电路。 SITH 的关断拖尾时间与 GTO 相当，但它的频率要比 GTO 高得 多。 目前 SITH 器件已用于高频感应加热装置。 制造 SITH 的难点在于其制造工艺方法很难控制，工艺方法的微小变化就可使最终产品的性能发生重大变化，目前正在开发常闭型SITH。 GTR 是非擎住器件或“线性”器件，是一种电流控制的双极双结电力半导体器件。 由 9 于它的电流增益差，因此七十年代出现了绝缘型 GTR 达林顿模块，以满足大功率逆变器的应用。 图 13 示出 GTR的额定值和发展趋势。 一般达林顿 GTR模块的饱和电压降为 1. 5~3V, 图 13 电力晶体管的额定值 (a)及其发展趋势 (b) 存储时间和电流下降时间的典型值分 别为 15μs。 和 3μs。 GTR 模块已广泛用于电机控制的 PWM 逆变器、不间断电源以及开关电源内。 由于 GTR 存在着固有的二次击穿，且其安全工作区受各项参数影响而变化和热容量小、过流能力低等问题，目前在开关电源内已逐步被 MOSFET 以及在电机调速和 UPS 内正逐步被 IGBT 所替代。 无疑 GTR 在今后几年内将继续 存在于现有的设计电路内，但最新设计的电路将采用 IGBT。 MOS 结构电力半导体器件 由于 GTR, GTO 和 SITH 等双极型全控器件必须要有较大的控 制电流，因而门极控制 电路非常庞大，使系统的体积和重量增大并使效率降低，从而促进了新一代具有高输入阻抗的 MOS 结构电力半导体器件的开发。 而这些现代电力半导体器件的制造工艺是借助于原先 CMOS集成电路的 MOS 工艺，并充分结合电力电子技术而制成的。 下面将分别简要介绍功 率 MOSFET, IGBT 和 MCT。 图 14 (a)示出了功率 MOSFET 的目前水平，图 14 (b)示出了MOSFET. IGBT 和 MCT 的发展趋势及相应的简略结构图。 10 图 14 功率 MOSFET, IGBT 的倾定值 (a)和功率 MOSFET, IGBT, MCT 的发展趋势 (b) 图 15 功率 MOSFET, IGBT 和 MCT 的简略结构示意图 (a)功率 MOSFET (b) IGBT (c) MCT 功率 MOSFET 是一种电压型高频多数载流子器件，与 GTR 不同的是功率 MOSFET 的 栅极是电绝缘的，是电压驱动器件，基本上不要求稳定的驱动电流，驱动电路只需要在器件 开通时提供容性充电电流，而关断时提供放电电流即可，因此驱动很简单。 为了获得高输入阻抗的高电压器件， 1980 年研制出 IGBT 器件，它是功率 MOSFET 工 艺技术基础上的产物。 比较图 15 功率 MOSFET 与 IGBT 的结构图可以看出，二者除 IGBT 11 P+替代 MOSFET N+外，几乎完全一样，这使 IGBT 器件的制造在功率 MOSFET 器件制造的基础上能很快商业化，但是它们的工作原理完全不同。 因 IGBT 的集电极和发射极之间有一个寄生晶闸管，该晶闸管的擎住可使 IGBT 失去控制。