功率器件的发展历程.pdf

功率器件的发展历程 IGBT、GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IGCT,, 2009-12-08 08:49 引言 电力电子技术包括功率半导体器件与 IC技术、功率变换技术及控制技术等 几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术 发展的 “龙头 ”。从 1958年美国通用电气 (GE)公司研制出世界上第一个工业用普 通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入 由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。到了 70 年 代，晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的系列产品。同时，非对称晶 闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世，广 泛应用于各种变流装置。由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响 应快等优点，其研制及应用得到了飞速发展。 由于普通晶闸管不能自关断，属于半控型器件，因而被称作第一代电力电 子器件。在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断提高，电力电 子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，先后出现了 GTR、GTO、功率 MOSET等自关断、全控型器件，被称为第二代电力电子器件。近年来，电力电 子器件正朝着复合化、模块化及功率集成的方向发展，如 IGPT、MCT、HVIC等 就是这种发展的产物。 电力整流管 整流管产生于本世纪 40 年代，是电力电子器件中结构最简单、使用最广泛 的一种器件。目前已形成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管等三种主 要类型。其中普通整流管的特点是： 漏电流小、通态压降较高 (1 0～1 8V)、反向恢复时间较长 (几十微秒 )、可获 得很高的电压和电流定额。多用于牵引、充电、电镀等对转换速度要求不高的 装置中。较快的反向恢复时间 (几百纳秒至几微秒 )是快恢复整流管的显著特点， 但是它的通态压降却很高 (1 6～4 0V)。它主要用于斩波、逆变等电路中充当旁路 1 / 13 二极管或阻塞二极管。肖特基整流管兼有快的反向恢复时间 (几乎为零 )和低的通 态压降 ( 0.3 ～ 0.6V) 的优点，不过其漏 1 电流较大、耐压能力低，常用于高频低压仪表和开关电源。目前的研制水 平为 : 普通整流管 (8000V/5000A/400Hz)；快恢复整流管 (6000V/1200A/1000Hz)；肖 特基整流管 (1000V/100A/200kHz)。 电力整流管对改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使 用效率等方面都具有非常重要的作用。随着各种高性能电力电子器件的出现， 开发具有良好高频性能的电力整流管显得非常必要。目前，人们已通过新颖结 构的设计和大规模集成电路制作工艺的运用，研制出集 PIN 整流管和肖特基整 流管的优点于一体的具有 MPS、SPEED和 SSD等结构的新型高压快恢复整流 管。 它们的通态压降为 1V 左右，反向恢复时间为 PIN整流管的 1/2 ，反向恢复 峰值电流为 PIN 整流管的 1/ 3 。 普通晶闸管及其派生器件 晶闸管诞生后，其结构的改进和工艺的改革，为新器件的不断出现提供了 条件。 1964年，双向晶闸管在 GE公司开发成功，应用于调光和马达控制； 1965 年，小功率光触发晶闸管出现，为其后出现的光耦合器打下了基础； 60 年 代后期，大功率逆变晶闸管问世，成为当时逆变电路的基本元件； 1974年，逆 导晶闸管和非对称