受的电压和电流容量高，工作可靠，在大容量的场 合具有重要地位
缺点：工作频率较低(一般低于400HZ)，需要强迫换相
电路，体积庞大，可靠性降低
全控型器件-第二代电力电子器件
代表:
GTO、GTR
电流控制 型
Power MOSFET、SIT
电压控制 型
新型电力电子器件 组合化 大功率 易驱动 高频化
MOSFE T
积小)、损耗低、制造成本低 、成品
率高，因而是高功率高电压低频交流
器首选
新型电力电子器件-IGCT的应用
研究进展 高耐压大电流
瑞士ABB制造的IGCT的最高性能参数为4.5kV／4kA。 日本三菱公司开发了直径为88mm的6kV／4kA的IGCT
应用情况
大功率高电压低频交流器
瑞士的ABB公司的ACS1000系列高压大容量变频器 上海西郊变电所±50Mvar STATCOM(静止同步补偿器)装置
集-发射极采用平板压接，芯片两端散热 改善发热 避免了电极引出线，减少引线电感， 提高了可靠性
平板压接结构的高压大电流IGBT模块可望成为 高功率高电压变流器的优选功率器件。
新型电力电子器件-新型IGBT模块
电子注入增强栅晶体管 (IEGT)
日本东芝开发
电子注入增强效应
平板压接式电极引 出结构
饱和压降低, 安全工作区宽(吸收回路容量仅为 GTO的1/10左右), 栅极驱动功率低(比GTO低两个 数量级)和工作频率较高 减小引线电感，改善发热，提高可靠性
SCR+MOSFET
优点
晶闸管良好的阻断和通态特性
MOS场效应管输入阻抗高、驱 动功率低和开关速度快的优点
克服了晶闸管速度慢、不能自 关断和高压MOS场效应管导通压
缺点
降大的缺点 关断电流受旁路电阻限制
其关断时电流的不均匀性
新型电力电子器件-MCT的应用
MCT器件的等级可达到300A/3000V,可关断电流密度为 325A/cm2,已试制出由12个MCT并联组成的模块。 美国西屋公司采用MCT开发10kW高频串并联谐振DC-DC 变流器,功率密度(6.1W/cm2),运行可靠。 美国正计划采用MCT组成功率变流设备，建设高达 500kV的高压直流输电HVDC设备。 国内的东南大学采用SDB键合特殊工艺在实验室制成了 100mA/100V MCT样品; 西安电力电子技术研究所利用 国外进口厚外延硅片也试制出9A/300V MCT 样品
第一章 电力电子半导体器件概述
合肥工业大学能源研究所
苏建徽
第1节 电力电子器件 第2节 电力电子集成技术
1.1 电力电子器件的发展历史 1.2 新型电力电子器件
电力电子器件的发展
晶闸 管
半 控 型 器 件
全控型 高频化
集成电路 全 控 型 器 件
大功率 易驱动 高频化
IGCT、IEGT IGBT 、MCT
等
复合型器件
模块化、集成化
Power MOSFET GTO 、
GTR 等
高功率密度 缩小体积 降低成本 提高可靠性
SPIC、 IPM 、 PECC 等
半控型器件-第一代电力电子器件
代表：晶闸管SCR系列:快速晶闸管、逆导晶闸管、双
向晶闸管、不对称晶闸管等
优点：制造工艺简单，价格低廉，控制线路成熟，承
研究成果：
•瑞士ABB采用软穿通原则研制出了高压 8000V的IGBT器 •德国的EUPEC生产了6500V/600A高压大功率IGBT •日本的东芝公司开发和研制新型高压IGBT器件
新型电力电子器件-新型IGBT模块
高功率沟槽栅结构IGBT (Trench IGBT)
平面栅结构改为沟槽栅结构 沟槽栅采用1μm加工精度，提高了元胞密度 门极沟的存在，减小导通电阻，为增加基区厚度 提高器件耐压创造了条件
新型IGBT模块
IEGT的应用前景
MOS系列－电力电子器件的重要发展方向
低损耗、高速动作－器件的性能大幅提高
达到4.5KV/1500A等级，模块封装
－中大容量变换器
6KV高耐压化、有源栅驱动的智能化、沟 槽结构、多芯片并联而自均流特性
－器件并联并联扩容使用
新型电力电子器件-MCT
MOS控制晶闸管(MOS-Controlled Thyristor)
背景资料
新型电力电子器件-IGCT
集成门极换流晶闸管
GTO是常用的高压大功率开关器件，(VBR>3300V,功率等级 0.5MW-20MW)，相对于IGBT在截止电压上有更高的性能。 但GTO驱动技术造成不均匀的开通和关断过程，需要高成 本的dv/dt和di/dt吸收电路和较大功率的门极驱动单元，因而 造成可靠性下降和价格较高的缺点。此外，也不利于串联 以便用于更大容量的装置。
新型电力电子器件ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱIGBT
GTR
GTR+ MOSFET
优点: 输入阻抗高、开关速度快、开关频率高、高安全
工作区宽; 耐压高、电流大.
缺点：工艺要求高、大功率应用受限。目前在高压领
域，依靠IGBT高压串联技术来实现它的高压应用
新型电力电子器件-IGBT的新发展
应用现状：中等功率应用主流开关器件 发展趋势：高耐压大电流
新型电力电子器件-IGCT的特性
特殊的环形门极
GTO+MOSFET
开关特性
导通期间
晶闸管的低通态损耗
集成了GTO芯片、反并联二 极管和门极驱动电路，再与 其门极驱动器在外围以低电 感方式连接。引线电感为 GTO的1/100
关断阶段
特点
晶体管的稳定关断能力
电流大、电压高、开关频率高(略低
于IGBT)、可靠性高、结构紧凑(硅面
新型电力电子器件-SiC半导体器件
SiC--发展最成熟的宽禁带半导体材料 物理特点:高禁带宽度，高饱和电子漂移速度，高击穿度
低介电常数和高热导率。
应用范围: 高温、高频率、高功率。可制作性能更优异的
高速度、高温 (300～500℃)、高频、高功率抗 辐射器件。
新型电力电子器件-IGCT的应用
新型电力电子器件-基于新材料的发展
常规半导体材料
Silicon(硅)
理想功率器件特性
SiC性能指标高于GaAs，是 研究的主要潮流之一
新型半导体材料
砷化镓 GaAs 碳化硅 SiC
高压砷化镓高 频整流二级管
SiC高频功率器件
美国电力电子系统中心的李泽元博士指出，Silicon(硅)基 器件的发展，在今后已没有什么可突破的空间了，目前研 究的方向是SiC等下一代半导体材料，这种新器件将在今后 5～10年内出现，它的出现会产生革命性的影响。