電力電子器件（Power Electronic Device），又稱為功率半導體器件，用於電能變換和電能控製電路中的大功率(通常指電流為數十至數千安

，電壓為數百伏以上)電子器件。可以分為半控型器件
、全控型器件和不可控型器件，其中晶閘管為半控型器件，承受電壓和電流容量在所有器件中最高
；電力二極管為不可控器件，結構和原理簡單
，工作可靠；還可以分為電壓驅動型器件和電流驅動型器件，其中GTO、GTR為電流驅動型器件
，IGBT、電力MOSFET為電壓驅動型器件。

1. MCT (MOS Control led Thyristor)：MOS控製晶閘管


MCT 是一種新型MOS 與雙極複合型器件。如上圖所示。MCT是將 MOSFET 的高阻抗、低驅動圖 MCT 的功率
、快開關速度的特性與晶閘管的高壓、大電流特型結合在一起，形成大功率
、高壓
、快速全控型器件。實質上MCT 是一個MOS 門極控製的晶閘管。它可在門極上加一窄脈衝使其導通或關斷，它由無數單胞並聯而成。它與GTR
，MOSFET， IGBT，GTO 等器件相比，有如下優點：

(1)電壓高、電流容量大，阻斷電壓已達3 000V，峰值電流達1 000 A
，最大可關斷電流密度為6 000kA/ m2

；

(2)通態壓降小、損耗小
，通態壓降約為11V

；

(3)極高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已達 20 kV/s ，di/dt為2 kA/s；

(4)開關速度快， 開關損耗小，開通時間約200ns
，1 000 V 器件可在2 s 內關斷
；

2. IGCT( Intergrated Gate Commutated Thyristors)

IGCT 是在晶閘管技術的基礎上結合 IGBT 和GTO 等技術開發的新型器件，適用於高壓大容量變頻係統中，是一種用於巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導體器件。

IGCT 是將GTO 芯(xin)片(pian)與(yu)反(fan)並(bing)聯(lian)二(er)極(ji)管(guan)和(he)門(men)極(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)集(ji)成(cheng)在(zai)一(yi)起(qi)，再(zai)與(yu)其(qi)門(men)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)在(zai)外(wai)圍(wei)以(yi)低(di)電(dian)感(gan)方(fang)式(shi)連(lian)接(jie)，結(jie)合(he)了(le)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)穩(wen)定(ding)關(guan)斷(duan)能(neng)力(li)和(he)晶(jing)閘(zha)管(guan)低(di)通(tong)態(tai)損(sun)耗(hao)的(de)優(you)點(dian)。在(zai)導(dao)通(tong)階(jie)段(duan)發(fa)揮(hui)晶(jing)閘(zha)管(guan)的(de)性(xing)能(neng)，關(guan)斷(duan)階(jie)段(duan)呈(cheng)現(xian)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)特(te)性(xing)。IGCT 芯片在不串不並的情況下，二電平逆變器功率0.5~ 3 MW，三電平逆變器 1~ 6 MW；若反向二極管分離
，不與IGCT 集成在一起，二電平逆變器功率可擴至4 /5 MW
，三電平擴至 9 MW。

目前，IGCT 已經商品化， ABB 公司製造的 IGCT 產品的最高性能參數為4[1] 5 kV / 4 kA ，最高研製水平為6 kV/ 4 kA。1998 年，日本三菱公司也開發了直徑為88 mm 的GCT 的晶閘管IGCT 損耗低、 開關快速等優點保證了它能可靠、高效率地用於300 kW~ 10 MW 變流器
，而不需要串聯和並聯。

3. IEGT( Injection Enhanced Gate Transistor) 電子注入增強柵晶體管

IEGT 是耐壓達 4 kV 以上的 IGBT 係列電力電子器件，通過采取增強注入的結構實現了低通態電壓，使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發展。IEGT 具有作為MOS 係列電力電子器件的潛在發展前景
，具有低損耗、高速動作、高耐壓、youyuanzhaqudongzhinenghuadengtedian，yijicaiyonggoucaojiegouheduoxinpianbinglianerzijunliudetexing，shiqizaijinyibukuodadianliurongliangfangmianpojuqianli。lingwai
，tongguomokuaifengzhuangfangshihaiketigongzhongduopaishengchanpin，zaida、中容量變換器應用中被寄予厚望。日本東芝開發的 IECT 利用了電子注入增強效應
，使之兼有 IGBT 和 GTO 兩者的優點: 低飽和壓降，安全工作區(吸收回路容量僅為 GTO 的十分之一左右) ，低柵極驅動功率(比 GT O 低兩個數量級)和較高的工作頻率。器件采用平板壓接式電機引出結構
，可靠性高， 性能已經達到4.5 kV/ 1 500A 的水平。

4. IPEM( Intergrated Power Elactronics Mod ules) :集成電力電子模塊

IPEM 是將電力電子裝置的諸多器件集成在一起的模塊。它首先是將半導體器件MOSFET
， IGBT或MCT yuerjiguandexinpianfengzhuangzaiyiqizuchengyigejimudanyuan
，ranhoujiangzhexiejimudanyuandiezhuangdaokaikongdegaodiandaolvdejueyuantaocichendishang
，zaitadexiamianyicishitongjiban
、氧化鈹瓷片和散熱片。在積木單元的上部，則通過表麵貼裝將控製電路、門極驅動、電流和溫度傳感器以及保護電路集成在一個薄絕緣層上。IPEM 實現了電力電子技術的智能化和模塊化
，大大降低了電路接線電感、係統噪聲和寄生振蕩
，提高了係統效率及可靠性

5. PEBB(Power Electric Building Block) :

電力電子積木PEBB ( Pow er Elect ric Building Block ) 是在IPEM 的基礎上發展起來的可處理電能集成的器件或模塊。PEBB 並不是一種特定的半導體器件，它是依照最優的電路結構和係統結構設計的不同器件和技術的集成。典型的PEBB 上圖所示。雖然它看起來很像功率半導體模塊，但PEBB 除了包括功率半導體器件外，還包括門極驅動電路
、電平轉換、傳感器、保護電路、電源和無源器件。PEBB 有能量接口和通訊接口。 通過這兩種接口，幾個PEBB 可以組成電力電子係統。這些係統可以像小型的DC- DC 轉換器一樣簡單，也可以像大型的分布式電力係統那樣複雜。一個係統中

， PEBB的數量可以從一個到任意多個。多個 PEBB 模塊一起工作可以完成電壓轉換、能量的儲存和轉換、陰抗匹配等係統級功能，PEBB 最重要的特點就是其通用性。
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6．超大功率晶閘管

晶閘管（SCR）自問世以來，其功率容量提高了近3000倍。現在許多國家已能穩定生產8kV / 4kA的晶閘管。日本現在已投產8kV / 4kA和6kV / 6kA的光觸發晶閘管(LTT)。美國和歐洲主要生產電觸發晶閘管。近十幾年來，由於自關斷器件的飛速發展，晶閘管的應用領域有所縮小，但是，由於它的高電壓、大電流特性，它在HVDC、靜止無功補償（SVC）、大功率直流電源及超大功率和高壓變頻調速應用方麵仍占有十分重要的地位。預計在今後若幹年內
，晶閘管仍將在高電壓
、大電流應用場合得到繼續發展。

現在，許多生產商可提供額定開關功率36MVA ( 6kV/ 6kA )用的高壓大電流GTO。傳統GTO的典型的關斷增量僅為3～5。GTO關斷期間的不均勻性引起的“擠流效應”使其在關斷期間dv/dt必須限製在500～1kV/μs。為此，人們不得不使用體積大
、昂貴的吸收電路。另外它的門極驅動電路較複雜和要求較大的驅動功率。到目前為止， 在高壓（VBR > 3.3kV )
、大功率（0.5～20 MVA）牽引、工業和電力逆變器中應用得最為普遍的是門控功率半導體器件。目前，GTO的最高研究水平為6in

、6kV / 6kA以及9kV/10kA。為了滿足電力係統對1GVA以上的三相逆變功率電壓源的需要
，近期很有可能開發出10kA/12kV的GTO，並有可能解決30多個高壓GTO串聯的技術，可望使電力電子技術在電力係統中的應用方麵再上一個台階。

7.脈衝功率閉合開關晶閘管

該器件特別適用於傳送極強的峰值功率（數MW）、極短的持續時間（數ns）的放電閉合開關應用場合，如：激光器、高強度照明
、放電點火
、電磁發射器和雷達調製器等。該器件能在數kV的高壓下快速開通，不需要放電電極，具有很長的使用壽命
，體積小
、價格比較低
，可望取代目前尚在應用的高壓離子閘流管、引燃管、火花間隙開關或真空開關等。

該器件獨特的結構和工藝特點是：門-陰極周界很長並形成高度交織的結構，門極麵積占芯片總麵積的90%
，而陰極麵積僅占10%；基區空穴-電子壽命很長，門-陰極之間的水平距離小於一個擴散長度。上述兩個結構特點確保了該器件在開通瞬間
，陰極麵積能得到100%的應用。此外，該器件的陰極電極采用較厚的金屬層，可承受瞬時峰值電流。

8.新型GTO器件-集成門極換流晶閘管

當前已有兩種常規GTO的替代品:高功率的IGBT模塊、新型GTO派生器件-集成門極換流IGCT晶閘管。IGCT晶閘管是一種新型的大功率器件
，與常規GTO晶閘管相比，它具有許多優良的特性，例如
，不用緩衝電路能實現可靠關斷

、存貯時間短
、開通能力強、關斷門極電荷少和應用係統（包括所有器件和外圍部件如陽極電抗器和緩衝電容器等）總的功率損耗低等。

9．高功率溝槽柵結構IGBT(Trench IGBT) 模塊

當今高功率IGBT模塊中的IGBT元胞通常多采用溝槽柵結構IGBT。與平麵柵結構相比，溝槽柵結構通常采用1μm加(jia)工(gong)精(jing)度(du)
，從(cong)而(er)大(da)大(da)提(ti)高(gao)了(le)元(yuan)胞(bao)密(mi)度(du)。由(you)於(yu)門(men)極(ji)溝(gou)的(de)存(cun)在(zai)，消(xiao)除(chu)了(le)平(ping)麵(mian)柵(zha)結(jie)構(gou)器(qi)件(jian)中(zhong)存(cun)在(zai)的(de)相(xiang)鄰(lin)元(yuan)胞(bao)之(zhi)間(jian)形(xing)成(cheng)的(de)結(jie)型(xing)場(chang)效(xiao)應(ying)晶(jing)體(ti)管(guan)效(xiao)應(ying)，同(tong)時(shi)引(yin)入(ru)了(le)一(yi)定(ding)的(de)電(dian)子(zi)注(zhu)入(ru)效(xiao)應(ying)

，使(shi)得(de)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)下(xia)降(jiang)。為(wei)增(zeng)加(jia)長(chang)基(ji)區(qu)厚(hou)度(du)
、提高器件耐壓創造了條件。所以近幾年來出現的高耐壓大電流IGBT器件均采用這種結構。

1996年日本三菱和日立公司分別研製成功3.3kV/1.2kA 巨大容量的IGBT模塊。它們與常規的GTO相比，開關時間縮短了20%，柵極驅動功率僅為GTO的1/1000。1997年富士電機研製成功1kA/2.5kV平板型IGBT，由於集電、發射結采用了與GTO類似的平板壓接結構，采用更高效的芯片兩端散熱方式。特別有意義的是，避免了大電流IGBT模塊內部大量的電極引出線，提高了可靠性和減小了引線電感，缺點是芯片麵積利用率下降。所以這種平板壓接結構的高壓大電流IGBT模塊也可望成為高功率高電壓變流器的優選功率器件。

10.電子注入增強柵晶體管IEGT(Injection Enhanced Gate Trangistor)

近年來
，日本東芝公司開發了IEGT，與IGBT一樣，它也分平麵柵和溝槽柵兩種結構，前者的產品即將問世

，後者尚在研製中。IEGT兼有IGBT和GTO兩者的某些優點：低的飽和壓降，寬的安全工作區（吸收回路容量僅為GTO的1/10左右)，低的柵極驅動功率（比GTO低2個數量級）和較高的工作頻率。加之該器件采用了平板壓接式電極引出結構，可望有較高的可靠性。

與IGBT相比，IEGT結構的主要特點是柵極長度Lg較長，N長基區近柵極側的橫向電阻值較高，因此從集電極注入N長基區的空穴，不像在IGBT中那樣，順利地橫向通過P區流入發射極


，而是在該區域形成一層空穴積累層。為了保持該區域的電中性，發射極必須通過N溝道向N長基區注入大量的電子。這樣就使N長基區發射極側也形成了高濃度載流子積累，在N長基區中形成與GTO中類似的載流子分布，從而較好地解決了大電流、高耐壓的矛盾。目前該器件已達到4.5kV /1kA的水平。

11.MOS門控晶閘管

MOS門極控製晶閘管充分地利用晶閘管良好的通態特性、優良的開通和關斷特性，可望具有優良的自關斷動態特性
、非(fei)常(chang)低(di)的(de)通(tong)態(tai)電(dian)壓(ya)降(jiang)和(he)耐(nai)高(gao)壓(ya)

，成(cheng)為(wei)將(jiang)來(lai)在(zai)電(dian)力(li)裝(zhuang)置(zhi)和(he)電(dian)力(li)係(xi)統(tong)中(zhong)有(you)發(fa)展(zhan)前(qian)途(tu)的(de)高(gao)壓(ya)大(da)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)。目(mu)前(qian)世(shi)界(jie)上(shang)有(you)十(shi)幾(ji)家(jia)公(gong)司(si)在(zai)積(ji)極(ji)開(kai)展(zhan)對(dui)MCT的研究。 MOS門控晶閘管主要有三種結構：MOS場控晶閘管（MCT）、基極電阻控製晶閘管(BRT)及射極開關晶閘管(EST)。其中EST可能是 MOS門控晶閘管中最有希望的一種結構。但是
，這種器件要真正成為商業化的實用器件，達到取代GTO的水平，還需要相當長的一段時間。

12.砷化镓二極管

隨sui著zhe變bian換huan器qi開kai關guan頻pin率lv的de不bu斷duan提ti高gao
，對dui快kuai恢hui複fu二er極ji管guan的de要yao求qiu也ye隨sui之zhi提ti高gao。眾zhong所suo周zhou知zhi，具ju有you比bi矽gui二er極ji管guan優you越yue的de高gao頻pin開kai關guan特te性xing，但dan是shi由you於yu工gong藝yi技ji術shu等deng方fang麵mian的de原yuan因yin
，砷shen化hua镓jia二er極ji管guan的de耐nai壓ya較jiao低di
，實shi際ji應ying用yong受shou到dao局ju限xian。為wei適shi應ying高gao壓ya、高速
、高效率和低EMI應用需要
，高壓砷化镓高頻整流二極管已在Motorola 公司研製成功。與矽快恢複二極管相比
，這種新型二極管的顯著特點是：反向漏電流隨溫度變化小
、開關損耗低、反向恢複特性好。

13.碳化矽與碳化矽 ( SiC ) 功率器件

在用新型半導體材料製成的功率器件中，最有希望的是碳化矽 ( SiC ) 功率器件。它的性能指標比砷化镓器件還要高一個數量級，碳化矽與其他半導體材料相比，具有下列優異的物理特點: 高的禁帶寬度，高的飽和電子漂移速度，高的擊穿強度
，低的介電常數和高的熱導率。上述這些優異的物理特性，決定了碳化矽在高溫、高頻率、高功率的應用場合是極為理想的半導體材料。在同樣的耐壓和電流條件下
，SiC器件的漂移區電阻要比矽低200倍，即使高耐壓的 SiC場效應管的導通壓降，也比單極型
、雙極型矽器件的低得多。而且，SiC器件的開關時間可達10nS量級
，並具有十分優越的 FBSOA。

SiC可以用來製造射頻和微波功率器件，各種高頻整流器

，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。SiC高頻功率器件已在Motorola公司研發成功，並應用於微波和射頻裝置。GE公司正在開發SiC功率器件和高溫器件(包括用於噴氣式引擎的傳感器)。西屋公司已經製造出了在26GHz頻率下工作的甚高頻的MESFET。ABB公司正在研製高功率
、高電壓的SiC整流器和其他SiC低頻功率器件，用於工業和電力係統。

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