?????????????現(xiàn)代的電力電子技術無論對改造傳統(tǒng)工業(yè)（電力、機械、礦冶、交通、化工、輕紡等），還是對新建高技術產(chǎn)業(yè)（航天、激光、通信、機器人等）至關重要，從而已迅速發(fā)展成為一門獨立學科領域。它的應用領域幾乎涉及到國民經(jīng)濟的各個工業(yè)部門，毫無疑問，它將成為本世紀乃至下世紀重要關鍵技術之一。近幾年西方發(fā)達的國家，盡管總體經(jīng)濟的增長速度較慢，電力電子技術仍一直保持著每年百分之十幾的高速增長。
從歷史上看，每一代新型電力電子器件的出現(xiàn)，總是帶來一場電力電子技術的**。以功率器件為核心的現(xiàn)代電力電子裝置，在整臺裝置中通常不超過總價值的20%～30%，但是，它對提高裝置的各項技術指標和技術性能，卻起著十分重要的作用。 眾所周知，一個理想的功率器件，應當具有下列理想的靜態(tài)和動態(tài)特性:在截止狀態(tài)時能承受高電壓；在導通狀態(tài)時，具有大電流和很低的壓降；在開關轉換時，具有短的開、關時間，能承受高的di/dt和dv/dt，以及具有全控功能。 自從50年代，硅晶閘管問世以后，20多年來，功率半導體器件的研究工作者為達到上述理想目標做出了不懈的努力，并已取得了使世人矚目的成就。60年代后期，可關斷晶閘管GTO實現(xiàn)了門極可關斷功能，并使斬波工作頻率擴展到1kHz以上。70年代中期，高功率晶體管和功率 MOSFET問世，功率器件實現(xiàn)了場控功能，打開了高頻應用的大門。80年代，絕緣柵門控雙極型晶體管 (IGBT)問世，它綜合了功率MOSFET和雙極型功率晶體管兩者的功能。它的迅速發(fā)展，又激勵了人們對綜合功率MOSFET和晶閘管兩者功能的新型功率器件-MOSFET門控晶閘管的研究。因此，當前功率器件研究工作的重點主要集中在研究現(xiàn)有功率器件的性能改進、MOS門控晶閘管以及采用新型半導體材料制造新型的功率器件等。下面就近幾年來上述功率器件的*新發(fā)展加以綜述。 一、 功率晶閘管的*新發(fā)展 1．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?，F(xiàn)在許多國家已能穩(wěn)定生產(chǎn)????mm、8kV /4kA的晶閘管。日本現(xiàn)在已投產(chǎn)8kV / 4kA和6kV /6kA的光觸發(fā)晶閘管(LTT)。美國和歐洲主要生產(chǎn)電觸發(fā)晶閘管。近十幾年來，由于自關斷器件的飛速發(fā)展，晶閘管的應用領域有所縮小，但是，由于它的高電壓、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(diào)速應用方面仍占有十分重要的地位。預計在今后若干年內(nèi)，晶閘管仍將在高電壓、大電流應用場合得到繼續(xù)發(fā)展。 現(xiàn)在，許多生產(chǎn)商可提供額定開關功率36MVA ( 6kV/ 6kA)用的高壓大電流GTO。傳統(tǒng)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必須限制在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(qū)動電路較復雜和要求較大的驅(qū)動功率。但是，高的導通電流密度、高的阻斷電壓、阻斷狀態(tài)下高的dv/dt耐量和有可能在內(nèi)部集成一個反并二極管，這些突出的優(yōu)點仍使人們對GTO感到興趣。到目前為止，在高壓（VBR > 3.3kV )、大功率（0.5～20MVA）牽引、工業(yè)和電力逆變器中應用得*為普遍的是門控功率半導體器件。目前，GTO的*高研究水平為6in、6kV /6kA以及9kV/10kA。為了滿足電力系統(tǒng)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(fā)出10kA/12kV的GTO，并有可能解決30多個高壓GTO串聯(lián)的技術，可望使電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用方面再上一個臺階。 2．脈沖功率閉合開關晶閘管 該器件特別適用于傳送極強的峰值功率（數(shù)MW）、極短的持續(xù)時間（數(shù)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(fā)射器和雷達調(diào)制器等。該器件能在數(shù)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-陰極周界很長并形成高度交織的結構，門極面積占芯片總面積的90%，而陰極面積僅占10%；基區(qū)空穴-電子壽命很長，門-陰極之間的水平距離小于一個擴散長度。上述兩個結構特點確保了該器件在開通瞬間，陰極面積能得到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。 3.新型GTO器件-集成門極換流晶閘管 當前已有兩種常規(guī)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(guī)GTO晶閘管相比，它具有許多優(yōu)良的特性，例如，不用緩沖電路能實現(xiàn)可靠關斷、存貯時間短、開通能力強、關斷門極電荷少和應用系統(tǒng)（包括所有器件和外圍部件如陽極電抗器和緩沖電容器等）總的功率損耗低等。 在上述這些特性中，優(yōu)良的開通和關斷能力是特別重要的方面，因為在實際應用中，GTO的應用條件主要是受到這些開關特性的局限。眾所周知，GTO的關斷能力與其門極驅(qū)動電路的性能關系極大，當門極關斷電流的上升率（diGQ/dt）較高時，GTO晶閘管則具有較高的關斷能力。一個4.5kV/4kA的IGCT與一個4.5kV/4kA的GTO的硅片尺寸類似，可是它能在高于6kA的情況下不用緩沖電路加以關斷，它的diGQ/dt高達6kA/μs。對于開通特性，門極開通電流上升率（diG/dt）也非常重要，可以借助于低的門極驅(qū)動電路的電感比較容易實現(xiàn)。IGCT之所以具有上述這些優(yōu)良特性，是因為在器件結構上對GTO采取了一系列改進措施。圖1是IGCT管餅和芯片的外形照片，芯片的基本圖形和結構與常規(guī)GTO類似，但是它除了采用了陽極短路型的逆導GTO結構以外，主要是采用了特殊的環(huán)狀門極，其引出端安排在器件的周邊，特別是它的門、陰極之間的距離要比常規(guī)GTO的小得多，所以在門極加以負偏壓實現(xiàn)關斷時， 門、陰極間可立即形成耗盡層， 如圖2所示。這時，從陽極注入基區(qū)的主電流，則在關斷瞬間全部流入門極，關斷增益為1， 從而使器件迅速關斷。不言而喻， 關斷IGCT時需要提供與主電流相等的瞬時關斷電流，這就要求包括IGCT門陰極在內(nèi)的門極驅(qū)動回路必須具有十分小的引線電感。實際上，它的門極和陰極之間的電感僅為常規(guī)GTO的1/10。 IGCT的另一個特點是有一個極低的引線電感與管餅集成在一起的門極驅(qū)動器。IGCT用多層薄板狀的襯板與主門極驅(qū)動電路相接。門極驅(qū)電路則由襯板及許多并聯(lián)的功率MOS管和放電電容器組成。包括IGCT及其門極驅(qū)動電路在內(nèi)的總引線電感量可以減小到GTO的1/100，表1是IGCT的電特性參數(shù)。 目前，4.5kV (1.9kV/2.7kV 直流鏈)及 5.5kV (3.3kV直流鏈)、 275A 有效硅面積小、低損耗、快速開關這些優(yōu)點保證了IGCT能可靠、高效率地用于300kVA～10MVA變流器，而不需要串聯(lián)或并聯(lián)。在串聯(lián)時，逆變器功率可擴展到100MVA。雖然高功率的IGBT模塊具有一些優(yōu)良的特性，如能實現(xiàn)di/dt和dv/dt的有源控制、有源箝位、易于實現(xiàn)短路電流保護和有源保護等。但因存在著導通高損耗、硅有效面積低利用率、損壞后造成開路以及無長期可靠運行數(shù)據(jù)等缺點，限制了高功率IGBT模塊在高功率低頻變流器中的實際應用。因此在大功率MCT未問世以前，IGCT可望成為高功率高電壓低頻變流器的優(yōu)選功率器件之一。 ? | 