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常用的功率半导体器件汇总

Kevinzhang?? DesignSpark?? 2015年06月11日 ?? 收藏2
电力电子器件(Power Electronic Device),又称为功率半导体器件,用于电能变换和电能控制电路中的大功率(通常指电流为数十至数千安,电压为数百伏以上)电子器件。可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件,其中晶闸管为半控型器件,承受电压和电流容量在所有器件中最高;电力二极管为不可控器件,结构和原理简单,工作可靠;还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件,其中GTO、GTR为电流驱动型器件,IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。

1. MCT (MOS Control led Thyristor):MOS控制晶闸管

MCT的等效电路图
MCT的等效电路图

MCT 是一种新型MOS 与双极复合型器件。如上图所示。MCT是将 MOSFET 的高阻抗、低驱动图 MCT 的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起,形成大功率、高压、快速全控型器件。实质上MCT 是一个MOS 门极控制的晶闸管。它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断,它由无数单胞并联而成。它与GTR,MOSFET, IGBT,GTO 等器件相比,有如下优点:

(1)电压高、电流容量大,阻断电压已达3 000V,峰值电流达1 000 A,最大可关断电流密度为6 000kA/ m2;

(2)通态压降小、损耗小,通态压降约为11V;

(3)极高的dv/dt和di/dt耐量,dv/dt已达 20 kV/s ,di/dt为2 kA/s;

(4)开关速度快, 开关损耗小,开通时间约200ns,1 000 V 器件可在2 s 内关断;

2. IGCT( Intergrated Gate Commutated Thyristors)

IGCT 是在晶闸管技术的基础上结合 IGBT 和GTO 等技术开发的新型器件,适用于高压大容量变频系统中,是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。

IGCT 是将GTO 芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起,再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接,结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。在导通阶段发挥晶闸管的性能,关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT 芯片在不串不并的情况下,二电平逆变器功率0.5~ 3 MW,三电平逆变器 1~ 6 MW;若反向二极管分离,不与IGCT 集成在一起,二电平逆变器功率可扩至4 /5 MW,三电平扩至 9 MW。

目前,IGCT 已经商品化, ABB 公司制造的 IGCT 产品的最高性能参数为4[1] 5 kV / 4 kA ,最高研制水平为6 kV/ 4 kA。1998 年,日本三菱公司也开发了直径为88 mm 的GCT 的晶闸管IGCT 损耗低、 开关快速等优点保证了它能可靠、高效率地用于300 kW~ 10 MW 变流器,而不需要串联和并联。

3. IEGT( Injection Enhanced Gate Transistor) 电子注入增强栅晶体管

IEGT 是耐压达 4 kV 以上的 IGBT 系列电力电子器件,通过采取增强注入的结构实现了低通态电压,使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。IEGT 具有作为MOS 系列电力电子器件的潜在发展前景,具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点,以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性,使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。另外,通过模块封装方式还可提供众多派生产品,在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。日本东芝开发的 IECT 利用了电子注入增强效应,使之兼有 IGBT 和 GTO 两者的优点: 低饱和压降,安全工作区(吸收回路容量仅为 GTO 的十分之一左右) ,低栅极驱动功率(比 GT O 低两个数量级)和较高的工作频率。器件采用平板压接式电机引出结构,可靠性高, 性能已经达到4.5 kV/ 1 500A 的水平。

4. IPEM( Intergrated Power Elactronics Mod ules) :集成电力电子模块

IPEM 是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。它首先是将半导体器件MOSFET, IGBT或MCT 与二极管的芯片封装在一起组成一个积木单元,然后将这些积木单元迭装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上,在它的下面依次是铜基板、氧化铍瓷片和散热片。在积木单元的上部,则通过表面贴装将控制电路、门极驱动、电流和温度传感器以及保护电路集成在一个薄绝缘层上。IPEM 实现了电力电子技术的智能化和模块化,大大降低了电路接线电感、系统噪声和寄生振荡,提高了系统效率及可靠性

5. PEBB(Power Electric Building Block) :

典型的PEBB
典型的PEBB

电力电子积木PEBB ( Pow er Elect ric Building Block ) 是在IPEM 的基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。PEBB 并不是一种特定的半导体器件,它是依照最优的电路结构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。典型的PEBB 上图所示。虽然它看起来很像功率半导体模块,但PEBB 除了包括功率半导体器件外,还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。PEBB 有能量接口和通讯接口。 通过这两种接口,几个PEBB 可以组成电力电子系统。这些系统可以像小型的DC- DC 转换器一样简单,也可以像大型的分布式电力系统那样复杂。一个系统中, PEBB的数量可以从一个到任意多个。多个 PEBB 模块一起工作可以完成电压转换、能量的储存和转换、阴抗匹配等系统级功能,PEBB 最重要的特点就是其通用性。


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