?????????????現代的電力電子技術無論對改造傳統工業（電力、機械、礦冶、交通、化工、輕紡等），還是對新建高技術產業（航天、激光、通信、機器人等）至關重要，從而已迅速發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濟的各個工業部門，毫無疑問，它將成為本世紀乃至下世紀重要關鍵技術之一。近幾年西方發達的國家，盡管總體經濟的增長速度較慢，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(dai)新型電(dian)力(li)(li)電(dian)子(zi)器件的(de)(de)(de)出現(xian)，總是(shi)帶來一場(chang)電(dian)力(li)(li)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)**。以功率器件為核心的(de)(de)(de)現(xian)代(dai)電(dian)力(li)(li)電(dian)子(zi)裝(zhuang)置(zhi)，在整臺裝(zhuang)置(zhi)中通常不超過(guo)總價值的(de)(de)(de)20%～30%，但是(shi)，它對提高裝(zhuang)置(zhi)的(de)(de)(de)各項技(ji)術(shu)指標和技(ji)術(shu)性能，卻起著十(shi)分重要的(de)(de)(de)作用。

　　眾(zhong)所(suo)周(zhou)知，一個理想的(de)功(gong)率器件，應當具(ju)(ju)有(you)下列理想的(de)靜態和(he)動態特性(xing):在截止(zhi)狀態時(shi)能(neng)(neng)承(cheng)受(shou)高(gao)電壓；在導通狀態時(shi)，具(ju)(ju)有(you)大(da)電流和(he)很低的(de)壓降；在開關轉換時(shi)，具(ju)(ju)有(you)短的(de)開、關時(shi)間，能(neng)(neng)承(cheng)受(shou)高(gao)的(de)di/dt和(he)dv/dt，以(yi)及(ji)具(ju)(ju)有(you)全控功(gong)能(neng)(neng)。

　　自從50年(nian)(nian)(nian)(nian)代，硅晶(jing)閘(zha)(zha)管(guan)(guan)問世(shi)以后，20多年(nian)(nian)(nian)(nian)來(lai)，功(gong)(gong)率(lv)(lv)半(ban)導(dao)體(ti)器件(jian)(jian)的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)工作(zuo)(zuo)者(zhe)為達(da)到(dao)上述(shu)理想目標(biao)做出了(le)(le)不懈的(de)(de)(de)努力(li)，并(bing)已(yi)取(qu)得了(le)(le)使世(shi)人矚目的(de)(de)(de)成(cheng)就(jiu)。60年(nian)(nian)(nian)(nian)代后期，可關斷晶(jing)閘(zha)(zha)管(guan)(guan)GTO實現了(le)(le)門(men)(men)極可關斷功(gong)(gong)能(neng)(neng)，并(bing)使斬波工作(zuo)(zuo)頻率(lv)(lv)擴展到(dao)1kHz以上。70年(nian)(nian)(nian)(nian)代中期，高(gao)功(gong)(gong)率(lv)(lv)晶(jing)體(ti)管(guan)(guan)和(he)功(gong)(gong)率(lv)(lv) MOSFET問世(shi)，功(gong)(gong)率(lv)(lv)器件(jian)(jian)實現了(le)(le)場控(kong)功(gong)(gong)能(neng)(neng)，打開了(le)(le)高(gao)頻應用(yong)的(de)(de)(de)大門(men)(men)。80年(nian)(nian)(nian)(nian)代，絕緣柵(zha)門(men)(men)控(kong)雙極型晶(jing)體(ti)管(guan)(guan) (IGBT)問世(shi)，它(ta)綜(zong)合(he)(he)了(le)(le)功(gong)(gong)率(lv)(lv)MOSFET和(he)雙極型功(gong)(gong)率(lv)(lv)晶(jing)體(ti)管(guan)(guan)兩(liang)(liang)者(zhe)的(de)(de)(de)功(gong)(gong)能(neng)(neng)。它(ta)的(de)(de)(de)迅速發(fa)(fa)展，又激勵了(le)(le)人們對綜(zong)合(he)(he)功(gong)(gong)率(lv)(lv)MOSFET和(he)晶(jing)閘(zha)(zha)管(guan)(guan)兩(liang)(liang)者(zhe)功(gong)(gong)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)新型功(gong)(gong)率(lv)(lv)器件(jian)(jian)-MOSFET門(men)(men)控(kong)晶(jing)閘(zha)(zha)管(guan)(guan)的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)。因此，當(dang)前功(gong)(gong)率(lv)(lv)器件(jian)(jian)研(yan)究(jiu)工作(zuo)(zuo)的(de)(de)(de)重點主要集中在研(yan)究(jiu)現有功(gong)(gong)率(lv)(lv)器件(jian)(jian)的(de)(de)(de)性能(neng)(neng)改進(jin)、MOS門(men)(men)控(kong)晶(jing)閘(zha)(zha)管(guan)(guan)以及采用(yong)新型半(ban)導(dao)體(ti)材料(liao)制造新型的(de)(de)(de)功(gong)(gong)率(lv)(lv)器件(jian)(jian)等。下面就(jiu)近幾(ji)年(nian)(nian)(nian)(nian)來(lai)上述(shu)功(gong)(gong)率(lv)(lv)器件(jian)(jian)的(de)(de)(de)*新發(fa)(fa)展加以綜(zong)述(shu)。

一、 功率(lv)晶閘管的*新發展(zhan)

1．超大功率晶閘管

　　晶(jing)閘(zha)(zha)管（SCR）自問世以來， 其功率容量提高了近(jin)3000倍。現在(zai)許多(duo)國家已能(neng)穩定生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)(chan)????mm、8kV /4kA的(de)晶(jing)閘(zha)(zha)管。日本現在(zai)已投(tou)產(chan)(chan)(chan)8kV / 4kA和6kV /6kA的(de)光觸(chu)發(fa)晶(jing)閘(zha)(zha)管(LTT)。美(mei)國和歐洲主要(yao)(yao)生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)(chan)電(dian)觸(chu)發(fa)晶(jing)閘(zha)(zha)管。近(jin)十(shi)幾年來，由(you)于自關斷器件的(de)飛速發(fa)展(zhan)，晶(jing)閘(zha)(zha)管的(de)應用(yong)(yong)領域有所縮小，但(dan)是(shi)，由(you)于它的(de)高電(dian)壓(ya)、大電(dian)流特性，它在(zai)HVDC、靜止無功補(bu)償（SVC）、大功率直流電(dian)源及超大功率和高壓(ya)變頻調速應用(yong)(yong)方面仍占有十(shi)分(fen)重要(yao)(yao)的(de)地位。預計在(zai)今(jin)后若干年內，晶(jing)閘(zha)(zha)管仍將在(zai)高電(dian)壓(ya)、大電(dian)流應用(yong)(yong)場合得到繼續發(fa)展(zhan)。

　　現在(zai)，許多(duo)生產商可(ke)提供額(e)定(ding)開關功率(lv)36MVA ( 6kV/ 6kA)用的(de)(de)(de)高壓大(da)(da)電(dian)流GTO。傳統GTO的(de)(de)(de)典型的(de)(de)(de)關斷(duan)增(zeng)量僅為(wei)(wei)3～5。GTO關斷(duan)期(qi)間的(de)(de)(de)不均勻性引起的(de)(de)(de)“擠流效(xiao)應”使(shi)其(qi)在(zai)關斷(duan)期(qi)間dv/dt必須限(xian)制在(zai)500～1kV/μs。為(wei)(wei)此，人們不得(de)不使(shi)用體積大(da)(da)、昂貴的(de)(de)(de)吸(xi)收電(dian)路。另外它的(de)(de)(de)門極(ji)驅動(dong)電(dian)路較復(fu)雜和(he)要求較大(da)(da)的(de)(de)(de)驅動(dong)功率(lv)。但是(shi)，高的(de)(de)(de)導(dao)通電(dian)流密度(du)、高的(de)(de)(de)阻(zu)斷(duan)電(dian)壓、阻(zu)斷(duan)狀(zhuang)態下高的(de)(de)(de)dv/dt耐(nai)量和(he)有可(ke)能在(zai)內部(bu)集成(cheng)一(yi)個反并二極(ji)管，這(zhe)些突(tu)出的(de)(de)(de)優點(dian)仍使(shi)人們對(dui)GTO感到興趣。到目(mu)前(qian)為(wei)(wei)止，在(zai)高壓（VBR > 3.3kV )、大(da)(da)功率(lv)（0.5～20MVA）牽引、工(gong)業和(he)電(dian)力(li)(li)逆(ni)變器中應用得(de)*為(wei)(wei)普遍的(de)(de)(de)是(shi)門控功率(lv)半導(dao)體器件。目(mu)前(qian)，GTO的(de)(de)(de)*高研究水平為(wei)(wei)6in、6kV /6kA以(yi)及(ji)9kV/10kA。為(wei)(wei)了滿足(zu)電(dian)力(li)(li)系(xi)統對(dui)1GVA以(yi)上的(de)(de)(de)三相逆(ni)變功率(lv)電(dian)壓源的(de)(de)(de)需要，近期(qi)很有可(ke)能開發出10kA/12kV的(de)(de)(de)GTO，并有可(ke)能解決30多(duo)個高壓GTO串聯(lian)的(de)(de)(de)技術，可(ke)望使(shi)電(dian)力(li)(li)電(dian)子(zi)技術在(zai)電(dian)力(li)(li)系(xi)統中的(de)(de)(de)應用方面再上一(yi)個臺階(jie)。

2．脈沖功率閉合開關(guan)晶閘管(guan)

　　該器件特別適用于傳(chuan)送極強的(de)(de)峰(feng)值(zhi)功率（數(shu)(shu)MW）、極短的(de)(de)持續時間（數(shu)(shu)ns）的(de)(de)放電閉合開(kai)關應用場(chang)合，如：激(ji)光器、高(gao)(gao)強度照(zhao)明(ming)、放電點火(huo)、電磁發射器和(he)雷達調制(zhi)器等(deng)。該器件能(neng)在數(shu)(shu)kV的(de)(de)高(gao)(gao)壓下(xia)快速(su)開(kai)通，不(bu)需(xu)要(yao)放電電極，具有很長(chang)的(de)(de)使用壽命，體積小、價(jia)格(ge)比較低，可望取代(dai)目(mu)前(qian)尚(shang)在應用的(de)(de)高(gao)(gao)壓離子閘(zha)流管、引燃管、火(huo)花(hua)間隙開(kai)關或真(zhen)空開(kai)關等(deng)。

　　該器(qi)件(jian)(jian)獨(du)特(te)的(de)(de)結構(gou)和工藝特(te)點是：門-陰(yin)(yin)極(ji)周界很長(chang)并形(xing)成高(gao)度(du)交(jiao)織的(de)(de)結構(gou)，門極(ji)面(mian)(mian)積占芯(xin)片總(zong)面(mian)(mian)積的(de)(de)90%，而陰(yin)(yin)極(ji)面(mian)(mian)積僅占10%；基(ji)區空穴(xue)-電(dian)(dian)(dian)子(zi)壽命很長(chang)，門-陰(yin)(yin)極(ji)之間(jian)的(de)(de)水平距離小于一個擴散長(chang)度(du)。上述(shu)兩個結構(gou)特(te)點確保了該器(qi)件(jian)(jian)在開通瞬(shun)間(jian)，陰(yin)(yin)極(ji)面(mian)(mian)積能得到100%的(de)(de)應用。此外，該器(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)陰(yin)(yin)極(ji)電(dian)(dian)(dian)極(ji)采用較厚的(de)(de)金屬層，可承受瞬(shun)時峰值電(dian)(dian)(dian)流。

3.新型(xing)GTO器(qi)件(jian)-集成門極換流晶閘管

　　當前已(yi)有兩(liang)種常規GTO的(de)替代品:高功(gong)(gong)率的(de)IGBT模塊、新(xin)型(xing)GTO派生器件-集成門極換流IGCT晶閘管。IGCT晶閘管是一(yi)種新(xin)型(xing)的(de)大功(gong)(gong)率器件，與常規GTO晶閘管相比，它具有許多優良的(de)特(te)性，例如(ru)，不(bu)用(yong)緩沖電(dian)路能(neng)(neng)實現可(ke)靠(kao)關(guan)斷、存貯時間短、開通能(neng)(neng)力強、關(guan)斷門極電(dian)荷少和(he)應用(yong)系統（包括所有器件和(he)外圍(wei)部件如(ru)陽極電(dian)抗器和(he)緩沖電(dian)容器等(deng)）總(zong)的(de)功(gong)(gong)率損耗低等(deng)。

　　在(zai)(zai)上(shang)(shang)述(shu)這(zhe)些(xie)(xie)特(te)性(xing)中，優良的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)開(kai)(kai)通和(he)(he)關(guan)(guan)(guan)(guan)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)能(neng)力是(shi)特(te)別(bie)重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方面，因(yin)為在(zai)(zai)實際應用(yong)中，GTO的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)條件(jian)主(zhu)要(yao)(yao)是(shi)受到這(zhe)些(xie)(xie)開(kai)(kai)關(guan)(guan)(guan)(guan)特(te)性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)局限(xian)。眾所(suo)周知，GTO的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)(guan)(guan)(guan)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)能(neng)力與其門(men)(men)(men)極(ji)(ji)(ji)(ji)驅(qu)動電(dian)路(lu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)能(neng)關(guan)(guan)(guan)(guan)系極(ji)(ji)(ji)(ji)大(da)，當門(men)(men)(men)極(ji)(ji)(ji)(ji)關(guan)(guan)(guan)(guan)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)電(dian)流的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)上(shang)(shang)升率（diGQ/dt）較(jiao)高(gao)時，GTO晶閘管則具(ju)有較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)(guan)(guan)(guan)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)能(neng)力。一(yi)個4.5kV/4kA的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)IGCT與一(yi)個4.5kV/4kA的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)GTO的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)硅片(pian)尺寸類(lei)似，可(ke)是(shi)它能(neng)在(zai)(zai)高(gao)于(yu)6kA的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)情況下不用(yong)緩沖電(dian)路(lu)加以(yi)(yi)關(guan)(guan)(guan)(guan)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)，它的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)diGQ/dt高(gao)達6kA/μs。對(dui)于(yu)開(kai)(kai)通特(te)性(xing)，門(men)(men)(men)極(ji)(ji)(ji)(ji)開(kai)(kai)通電(dian)流上(shang)(shang)升率（diG/dt）也非常(chang)重要(yao)(yao)，可(ke)以(yi)(yi)借助于(yu)低的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)門(men)(men)(men)極(ji)(ji)(ji)(ji)驅(qu)動電(dian)路(lu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)感比(bi)(bi)較(jiao)容易實現。IGCT之所(suo)以(yi)(yi)具(ju)有上(shang)(shang)述(shu)這(zhe)些(xie)(xie)優良特(te)性(xing)，是(shi)因(yin)為在(zai)(zai)器(qi)件(jian)結構(gou)上(shang)(shang)對(dui)GTO采(cai)(cai)(cai)取(qu)了(le)一(yi)系列改進(jin)措施。圖1是(shi)IGCT管餅和(he)(he)芯片(pian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)外形(xing)(xing)照片(pian)，芯片(pian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)本圖形(xing)(xing)和(he)(he)結構(gou)與常(chang)規(gui)GTO類(lei)似，但(dan)是(shi)它除了(le)采(cai)(cai)(cai)用(yong)了(le)陽極(ji)(ji)(ji)(ji)短路(lu)型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)逆導GTO結構(gou)以(yi)(yi)外，主(zhu)要(yao)(yao)是(shi)采(cai)(cai)(cai)用(yong)了(le)特(te)殊的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)環狀門(men)(men)(men)極(ji)(ji)(ji)(ji)，其引出端安排在(zai)(zai)器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)周邊，特(te)別(bie)是(shi)它的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)門(men)(men)(men)、陰極(ji)(ji)(ji)(ji)之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)距離要(yao)(yao)比(bi)(bi)常(chang)規(gui)GTO的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)小得多，所(suo)以(yi)(yi)在(zai)(zai)門(men)(men)(men)極(ji)(ji)(ji)(ji)加以(yi)(yi)負偏壓實現關(guan)(guan)(guan)(guan)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)時， 門(men)(men)(men)、陰極(ji)(ji)(ji)(ji)間(jian)(jian)可(ke)立即形(xing)(xing)成耗(hao)盡層， 如圖2所(suo)示。這(zhe)時，從(cong)(cong)陽極(ji)(ji)(ji)(ji)注(zhu)入(ru)基(ji)區(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)主(zhu)電(dian)流，則在(zai)(zai)關(guan)(guan)(guan)(guan)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)瞬間(jian)(jian)全部流入(ru)門(men)(men)(men)極(ji)(ji)(ji)(ji)，關(guan)(guan)(guan)(guan)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)增益為1， 從(cong)(cong)而(er)使器(qi)件(jian)迅速關(guan)(guan)(guan)(guan)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)。不言而(er)喻， 關(guan)(guan)(guan)(guan)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)IGCT時需要(yao)(yao)提(ti)供(gong)與主(zhu)電(dian)流相等的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)瞬時關(guan)(guan)(guan)(guan)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)電(dian)流，這(zhe)就要(yao)(yao)求包括IGCT門(men)(men)(men)陰極(ji)(ji)(ji)(ji)在(zai)(zai)內的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)門(men)(men)(men)極(ji)(ji)(ji)(ji)驅(qu)動回(hui)路(lu)必(bi)須具(ju)有十分小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)引線電(dian)感。實際上(shang)(shang)，它的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)門(men)(men)(men)極(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)(he)陰極(ji)(ji)(ji)(ji)之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)感僅為常(chang)規(gui)GTO的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)1/10。

　　IGCT的(de)(de)另一個特點是有一個極(ji)(ji)低的(de)(de)引線電(dian)感與管餅集成(cheng)在(zai)一起(qi)的(de)(de)門極(ji)(ji)驅動器。IGCT用多層薄板狀的(de)(de)襯板與主門極(ji)(ji)驅動電(dian)路(lu)相接。門極(ji)(ji)驅電(dian)路(lu)則由襯板及許多并聯的(de)(de)功率MOS管和放電(dian)電(dian)容器組成(cheng)。包括IGCT及其門極(ji)(ji)驅動電(dian)路(lu)在(zai)內的(de)(de)總(zong)引線電(dian)感量可以減小(xiao)到GTO的(de)(de)1/100，表(biao)1是IGCT的(de)(de)電(dian)特性參數(shu)。

　　目(mu)前(qian)，4.5kV (1.9kV/2.7kV 直流鏈)及(ji) 5.5kV (3.3kV直流鏈)、 275A

　　有(you)(you)效(xiao)硅(gui)面積(ji)小、低損耗、快(kuai)速開關這些優(you)點保證(zheng)了IGCT能可(ke)(ke)靠、高效(xiao)率(lv)(lv)地(di)用(yong)(yong)(yong)于(yu)300kVA～10MVA變(bian)流(liu)器(qi)，而不需(xu)要串聯或并聯。在(zai)(zai)(zai)串聯時，逆變(bian)器(qi)功(gong)率(lv)(lv)可(ke)(ke)擴展(zhan)到(dao)100MVA。雖然(ran)高功(gong)率(lv)(lv)的(de)IGBT模塊具有(you)(you)一(yi)些優(you)良的(de)特性(xing)，如能實現(xian)di/dt和dv/dt的(de)有(you)(you)源(yuan)控(kong)制、有(you)(you)源(yuan)箝位、易(yi)于(yu)實現(xian)短路電流(liu)保護(hu)和有(you)(you)源(yuan)保護(hu)等。但因存(cun)在(zai)(zai)(zai)著(zhu)導通高損耗、硅(gui)有(you)(you)效(xiao)面積(ji)低利用(yong)(yong)(yong)率(lv)(lv)、損壞后造成開路以(yi)(yi)及無長期可(ke)(ke)靠運行數(shu)據(ju)等缺點，限制了高功(gong)率(lv)(lv)IGBT模塊在(zai)(zai)(zai)高功(gong)率(lv)(lv)低頻變(bian)流(liu)器(qi)中的(de)實際應用(yong)(yong)(yong)。因此(ci)在(zai)(zai)(zai)大功(gong)率(lv)(lv)MCT未問世以(yi)(yi)前，IGCT可(ke)(ke)望成為高功(gong)率(lv)(lv)高電壓低頻變(bian)流(liu)器(qi)的(de)優(you)選功(gong)率(lv)(lv)器(qi)件之一(yi)。

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二、IGBT模塊的(de)*新發(fa)展

1．高(gao)功率溝槽柵結構IGBT(Trench IGBT) 模塊(kuai)

　　當今高(gao)功率(lv)IGBT模塊中(zhong)的(de)IGBT元胞(bao)通常(chang)多采用溝(gou)槽柵結(jie)構(gou)IGBT。與平面(mian)柵結(jie)構(gou)相(xiang)比，溝(gou)槽柵結(jie)構(gou)通常(chang)采用1μm加工精(jing)度，從而大大提高(gao)了元胞(bao)密度。由于(yu)門極溝(gou)的(de)存(cun)在，消除了平面(mian)柵結(jie)構(gou)器(qi)件(jian)(jian)中(zhong)存(cun)在的(de)相(xiang)鄰(lin)元胞(bao)之間形成的(de)結(jie)型場效應(ying)晶體管效應(ying)，同時引入(ru)了一定的(de)電子注入(ru)效應(ying)，使得導(dao)通電阻下(xia)降。為增加長基區厚度、提高(gao)器(qi)件(jian)(jian)耐壓創造了條件(jian)(jian)。所以(yi)近(jin)幾(ji)年來出現的(de)高(gao)耐壓大電流(liu)IGBT器(qi)件(jian)(jian)均采用這(zhe)種結(jie)構(gou)。

　　1996年(nian)日本三菱和日立公司分(fen)別研制成(cheng)功(gong)3.3kV/1.2kA巨大容量(liang)的(de)(de)IGBT模(mo)塊(kuai)。它們與(yu)常規的(de)(de)GTO相比，開關時間縮短了20%，柵極驅(qu)動功(gong)率(lv)僅為(wei)GTO的(de)(de)1/1000。1997年(nian)富士電機研制成(cheng)功(gong)1kA/2.5kV平(ping)(ping)板型(xing)IGBT，由于(yu)集(ji)電、發射結采(cai)(cai)用(yong)了與(yu)GTO類(lei)似(si)的(de)(de)平(ping)(ping)板壓(ya)(ya)接結構(gou)，采(cai)(cai)用(yong)更高(gao)(gao)效的(de)(de)芯(xin)片兩端散(san)熱方式。特別有意義(yi)的(de)(de)是(shi)，避免了大電流(liu)IGBT模(mo)塊(kuai)內(nei)部大量(liang)的(de)(de)電極引(yin)出線，提(ti)高(gao)(gao)了可靠(kao)性和減小了引(yin)線電感(gan)，缺點是(shi)芯(xin)片面積(ji)利用(yong)率(lv)下(xia)降。所(suo)以這種平(ping)(ping)板壓(ya)(ya)接結構(gou)的(de)(de)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)大電流(liu)IGBT模(mo)塊(kuai)也(ye)可望成(cheng)為(wei)高(gao)(gao)功(gong)率(lv)高(gao)(gao)電壓(ya)(ya)變流(liu)器的(de)(de)優選功(gong)率(lv)器件。

2．新型大功率(lv)IGBT模塊 - 電子(zi)注入增強(qiang)柵晶體管(guan)IEGT(Injection Enhanced GateTrangistor)

　　近年來，日本東芝公司開(kai)發(fa)了IEGT，與IGBT一樣，它也(ye)分(fen)平面柵(zha)和(he)(he)溝(gou)槽柵(zha)兩種結構，前者的(de)(de)(de)(de)產品即將問世，后者尚在(zai)研制中。IEGT兼有(you)IGBT和(he)(he)GTO兩者的(de)(de)(de)(de)某些優(you)點：低的(de)(de)(de)(de)飽(bao)和(he)(he)壓(ya)降，寬的(de)(de)(de)(de)**工作(zuo)區（吸收回路容(rong)量(liang)僅為GTO的(de)(de)(de)(de)1/10左右），低的(de)(de)(de)(de)柵(zha)極(ji)驅(qu)動功(gong)率(lv)（比GTO低2個數(shu)量(liang)級(ji)）和(he)(he)較(jiao)高的(de)(de)(de)(de)工作(zuo)頻率(lv)。加之該(gai)器件采用(yong)了平板(ban)壓(ya)接式(shi)電極(ji)引出(chu)結構，可望有(you)較(jiao)高的(de)(de)(de)(de)可靠性。

　　IEGT之所以有前述這(zhe)些優(you)良的(de)特(te)性，是由于它利用(yong)了“電子注(zhu)入(ru)(ru)(ru)增強效(xiao)應(ying)"。為了簡(jian)要說明這(zhe)一(yi)效(xiao)應(ying)，將IGBT及IEGT單胞(bao)示意圖示于圖4。與(yu)IGBT相比，IEGT結構的(de)主要特(te)點是柵(zha)極(ji)(ji)(ji)長(chang)(chang)(chang)(chang)度Lg較長(chang)(chang)(chang)(chang)，N長(chang)(chang)(chang)(chang)基(ji)區(qu)(qu)近(jin)柵(zha)極(ji)(ji)(ji)側的(de)橫向(xiang)電阻(zu)值(zhi)較高，因(yin)此從集電極(ji)(ji)(ji)注(zhu)入(ru)(ru)(ru)N長(chang)(chang)(chang)(chang)基(ji)區(qu)(qu)的(de)空(kong)穴(xue)，不像在IGBT中(zhong)那樣，順利地(di)橫向(xiang)通(tong)過P區(qu)(qu)流入(ru)(ru)(ru)發射極(ji)(ji)(ji)，而(er)是在該(gai)(gai)區(qu)(qu)域形(xing)成一(yi)層(ceng)空(kong)穴(xue)積累層(ceng)。為了保持該(gai)(gai)區(qu)(qu)域的(de)電中(zhong)性，發射極(ji)(ji)(ji)必(bi)須(xu)通(tong)過N溝道向(xiang)N長(chang)(chang)(chang)(chang)基(ji)區(qu)(qu)注(zhu)入(ru)(ru)(ru)大(da)量(liang)的(de)電子。這(zhe)樣就(jiu)使N長(chang)(chang)(chang)(chang)基(ji)區(qu)(qu)發射極(ji)(ji)(ji)側也形(xing)成了高濃度載(zai)流子積累，在N長(chang)(chang)(chang)(chang)基(ji)區(qu)(qu)中(zhong)形(xing)成與(yu)GTO中(zhong)類似的(de)載(zai)流子分布，從而(er)較好地(di)解(jie)決了大(da)電流、高耐(nai)壓的(de)矛盾(dun)。目前該(gai)(gai)器件已達(da)到4.5kV/1kA的(de)水平(ping)。

三、MOS門控晶閘管(guan)

　　MOS門極(ji)控(kong)(kong)制(zhi)晶閘(zha)(zha)(zha)管(guan)(guan)(guan)充分地利用晶閘(zha)(zha)(zha)管(guan)(guan)(guan)良好的(de)(de)通態特(te)(te)性(xing)、優良的(de)(de)開(kai)通和關(guan)斷(duan)特(te)(te)性(xing)，可望具有(you)優良的(de)(de)自關(guan)斷(duan)動態特(te)(te)性(xing)、非(fei)常(chang)低的(de)(de)通態電(dian)壓(ya)降和耐(nai)高(gao)壓(ya)，成為(wei)將(jiang)來在電(dian)力(li)裝置和電(dian)力(li)系統中(zhong)(zhong)有(you)發展前(qian)途的(de)(de)高(gao)壓(ya)大功率器件。目前(qian)世(shi)界上有(you)十幾家公司在積(ji)極(ji)開(kai)展對MCT的(de)(de)研究。MOS門控(kong)(kong)晶閘(zha)(zha)(zha)管(guan)(guan)(guan)主(zhu)要(yao)有(you)三種結構：MOS場控(kong)(kong)晶閘(zha)(zha)(zha)管(guan)(guan)(guan)（MCT）、基極(ji)電(dian)阻控(kong)(kong)制(zhi)晶閘(zha)(zha)(zha)管(guan)(guan)(guan)(BRT)及(ji)射極(ji)開(kai)關(guan)晶閘(zha)(zha)(zha)管(guan)(guan)(guan)(EST)。其中(zhong)(zhong)EST可能(neng)是(shi)MOS門控(kong)(kong)晶閘(zha)(zha)(zha)管(guan)(guan)(guan)中(zhong)(zhong)*有(you)希望的(de)(de)一種結構。但(dan)是(shi)，這(zhe)種器件要(yao)真正成為(wei)商業化的(de)(de)實用器件，達到取代GTO的(de)(de)水平，還需(xu)要(yao)相當長的(de)(de)一段時間(jian)。

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四(si)、采用新型(xing)半(ban)導體材(cai)料制造的新型(xing)功(gong)率器件

　　至今(jin)，硅材(cai)(cai)料(liao)功率(lv)器件(jian)已發展得(de)相(xiang)當成熟。為了(le)(le)(le)進一步實現人們對(dui)理想功率(lv)器件(jian)特性(xing)的追求，越(yue)(yue)來越(yue)(yue)多的功率(lv)器件(jian)研(yan)究工作轉向了(le)(le)(le)對(dui)用新(xin)型半(ban)(ban)導(dao)體(ti)材(cai)(cai)料(liao)制(zhi)作新(xin)型半(ban)(ban)導(dao)體(ti)功率(lv)器件(jian)的探(tan)求。研(yan)究表明，砷化鎵FET和肖特基整流(liu)(liu)器可以獲得(de)十分優越(yue)(yue)的技術性(xing)能。Collinset al公(gong)司 用GaAs VFETs 制(zhi)成了(le)(le)(le)10MHz PWM變換器，其(qi)功率(lv)密度高(gao)達500W/in3。高(gao)壓（600V）砷化鎵高(gao)頻整流(liu)(liu)二極管近年來也有所突破，SiC材(cai)(cai)料(liao)和功率(lv)器件(jian)的研(yan)究工作十分活躍。

1．高壓砷化鎵高頻(pin)整流二極管

　　隨著變(bian)換(huan)器開(kai)(kai)關頻率的(de)(de)不(bu)斷提(ti)高(gao)(gao)，對(dui)快恢復二極管(guan)(guan)的(de)(de)要(yao)求也隨之(zhi)提(ti)高(gao)(gao)。眾所周(zhou)知(zhi)，砷化鎵(jia)二極管(guan)(guan)具(ju)有(you)比(bi)硅(gui)二極管(guan)(guan)優越的(de)(de)高(gao)(gao)頻開(kai)(kai)關特性(xing)(xing)，但是由于工藝(yi)技術等方(fang)面(mian)的(de)(de)原因，砷化鎵(jia)二極管(guan)(guan)的(de)(de)耐壓(ya)較低(di)，實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)受到(dao)局限。為適(shi)應(ying)高(gao)(gao)壓(ya)、高(gao)(gao)速(su)、高(gao)(gao)效率和低(di)EMI應(ying)用(yong)需要(yao)，高(gao)(gao)壓(ya)砷化鎵(jia)高(gao)(gao)頻整流(liu)二極管(guan)(guan)已(yi)在Motorola公(gong)司研制(zhi)成功。與硅(gui)快恢復二極管(guan)(guan)相(xiang)比(bi)，這種新型二極管(guan)(guan)的(de)(de)顯(xian)著特點是：反向漏(lou)電流(liu)隨溫(wen)度變(bian)化小、開(kai)(kai)關損耗低(di)、反向恢復特性(xing)(xing)好。兩者(zhe)比(bi)較結(jie)果示(shi)于表(biao)3。

碳(tan)化硅與碳(tan)化硅 ( SiC ) 功率器(qi)件

　　在用新型(xing)(xing)半導(dao)體材(cai)料制成的(de)(de)(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)(lv)器(qi)件(jian)(jian)中，*有希(xi)望的(de)(de)(de)(de)是(shi)碳化硅 ( SiC )功(gong)率(lv)(lv)(lv)器(qi)件(jian)(jian)。它(ta)的(de)(de)(de)(de)性能指標(biao)比砷化鎵(jia)器(qi)件(jian)(jian)還要高(gao)(gao)(gao)一個數量級(ji)，碳化硅與(yu)其他半導(dao)體材(cai)料相比，具有下列優異的(de)(de)(de)(de)物(wu)理(li)特點(dian):高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)禁帶寬度，高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)飽(bao)和電子漂(piao)移(yi)(yi)速(su)度，高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)擊穿(chuan)強度，低(di)的(de)(de)(de)(de)介電常數和高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)熱導(dao)率(lv)(lv)(lv)。上述這些(xie)優異的(de)(de)(de)(de)物(wu)理(li)特性,決(jue)定(ding)了碳化硅在高(gao)(gao)(gao)溫(wen)、高(gao)(gao)(gao)頻率(lv)(lv)(lv)、高(gao)(gao)(gao)功(gong)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)應用場合是(shi)極為(wei)理(li)想(xiang)的(de)(de)(de)(de)半導(dao)體材(cai)料。在同(tong)樣的(de)(de)(de)(de)耐(nai)壓(ya)(ya)和電流條件(jian)(jian)下，SiC器(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)漂(piao)移(yi)(yi)區電阻要比硅低(di)200倍，即使高(gao)(gao)(gao)耐(nai)壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)(de)SiC場效應管的(de)(de)(de)(de)導(dao)通壓(ya)(ya)降，也比單極型(xing)(xing)、雙極型(xing)(xing)硅器(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)低(di)得多(duo)。而且，SiC器(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)開(kai)關時間可達10nS量級(ji)，并具有十分優越的(de)(de)(de)(de) FBSOA。

　　SiC可以用(yong)(yong)來(lai)制(zhi)造射(she)(she)頻(pin)和(he)微波功率(lv)器(qi)件(jian)(jian)，各種(zhong)高頻(pin)整流(liu)器(qi)，MESFETS、MOSFETS和(he)JFETS等。SiC高頻(pin)功率(lv)器(qi)件(jian)(jian)已在Motorola公司(si)研發成功，并應用(yong)(yong)于(yu)微波和(he)射(she)(she)頻(pin)裝(zhuang)置。GE公司(si)正(zheng)在開(kai)發SiC功率(lv)器(qi)件(jian)(jian)和(he)高溫器(qi)件(jian)(jian)(包(bao)括(kuo)用(yong)(yong)于(yu)噴氣式引擎的傳(chuan)感器(qi))。西屋公司(si)已經制(zhi)造出了在26GHz頻(pin)率(lv)下工(gong)作的甚高頻(pin)的MESFET。ABB公司(si)正(zheng)在研制(zhi)高功率(lv)、高電壓的SiC整流(liu)器(qi)和(he)其他SiC低頻(pin)功率(lv)器(qi)件(jian)(jian)，用(yong)(yong)于(yu)工(gong)業和(he)電力(li)系統。

　　理(li)(li)論分析表(biao)明，SiC功(gong)率器(qi)件(jian)非常(chang)接(jie)近(jin)于(yu)理(li)(li)想的功(gong)率器(qi)件(jian)。可(ke)以(yi)預(yu)見，各(ge)種(zhong)SiC器(qi)件(jian)的研究(jiu)與開發(fa)，必將(jiang)成(cheng)為(wei)功(gong)率器(qi)件(jian)研究(jiu)領域的主要潮流(liu)之一。但是，SiC材料和功(gong)率器(qi)件(jian)的機理(li)(li)、理(li)(li)論、制(zhi)造工藝均有大(da)量問(wen)題(ti)需(xu)要解決(jue)，它們要真正給電力電子技術領域帶來又一次(ci)**，估計(ji)至少還需(xu)要十(shi)幾年(nian)的時間。

五、結論

　　經過人們的不懈努力，雖然硅雙極型及場控型功率器件的研究已趨成熟，但是它們的性能仍在不斷得到提高和改善，近年來出現的IGCT和IEGT可望比MCT更早地取代GTO。采用GaAs，碳化硅等新型半導體材料制成功率器件，實現人們對“理想器件”的追求，將是下個世紀電力電子器件發展的主要趨勢。
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