半导体器件

半导体器件
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什么是半导体?

  • 半导体:常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。
  • 元素半导体:锗和硅是最常用的元素半导体;
  • 化合物半导体:包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物(砷化镓、磷化镓等)、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体(镓铝砷、镓砷磷等)。

常见的几种功率半导体器件:

1、MCT(MOS Controlled Thyristor):MOS控制晶闸管

MCT是一种新型MOS与双极复合型器件。MCT是将MOSFET的高阻抗、低驱动图MCT的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起,形成大功率、高压、快速全控型器件。实质上MCT是一个MOS门极控制的晶闸管。它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断,它由无数单胞并联而成。

2、IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)

IGCT是在晶闸管技术的基础上结合IGBT和GTO等技术开发的新型器件,适用于高压大容量变频系统中,是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。

IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起,再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接,结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。在导通阶段发挥晶闸管的性能,关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT芯片在不串不并的情况下,二电平逆变器功率0.5~3MW,三电平逆变器1~6MW;若反向二极管分离,不与IGCT集成在一起,二电平逆变器功率可扩至4/5MW,三电平扩至9MW。

3、IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)电子注入增强栅晶体管

IEGT是耐压达4kV以上的IGBT系列电力电子器件,通过采取增强注入的结构实现了低通态电压,使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景,具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点,以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性,使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。另外,通过模块封装方式还可提供众多派生产品,在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。

4、IPEM(Intergrated Power Elactronics Modules):集成电力电子模块

IPEM是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。它首先是将半导体器件MOSFET,IGBT或MCT与二极管的芯片封装在一起组成一个积木单元,然后将这些积木单元迭装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上,在它的下面依次是铜基板、氧化铍瓷片和散热片。在积木单元的上部,则通过表面贴装将控制电路、门极驱动、电流和温度传感器以及保护电路集成在一个薄绝缘层上。IPEM实现了电力电子技术的智能化和模块化,大大降低了电路接线电感、系统噪声和寄生振荡,提高了系统效率及可靠性。

5、PEBB(Power Electric Building Block)

电力电子积木PEBB(Power Electric Building Block)是在IPEM的基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。PEBB并不是一种特定的半导体器件,它是依照最优的电路结构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。典型的PEBB上图所示。虽然它看起来很像功率半导体模块,但PEBB除了包括功率半导体器件外,还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。

PEBB有能量接口和通讯接口。通过这两种接口,几个PEBB可以组成电力电子系统。这些系统可以像小型的DC-DC转换器一样简单,也可以像大型的分布式电力系统那样复杂。一个系统中,PEBB的数量可以从一个到任意多个。多个PEBB模块一起工作可以完成电压转换、能量的储存和转换、阴抗匹配等系统级功能,PEBB最重要的特点就是其通用性。

6、超大功率晶闸管

晶闸管(SCR)自问世以来,其功率容量提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产8kV/4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV/4kA和6kV/6kA的光触发晶闸管(LTT),美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。近十几年来,由于自关断器件的飞速发展,晶闸管的应用领域有所缩小,但是,由于它的高电压、大电流特性,它在HVDC、静止无功补偿(SVC)、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍占有十分重要的地位。预计在今后若干年内,晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。

现在,许多生产商可提供额定开关功率36MVA(6kV/6kA)用的高压大电流GTO。到目前为止,在高压(VBR》3.3kV)、大功率(0.5~20MVA)牵引、工业和电力逆变器中应用得最为普遍的是门控功率半导体器件。目前,GTO的最高研究水平为6in、6kV/6kA以及9kV/10kA。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功率电压源的需要,近期很有可能开发出10kA/12kV的GTO,并有可能解决30多个高压GTO串联的技术,可望使电力电子技术在电力系统中的应用方面再上一个台阶。

7、脉冲功率闭合开关晶闸管

该器件特别适用于传送极强的峰值功率(数MW)、极短的持续时间(数ns)的放电闭合开关应用场合,如:激光器、高强度照明、放电点火、电磁发射器和雷达调制器等。该器件能在数kV的高压下快速开通,不需要放电电极,具有很长的使用寿命,体积小、价格比较低,可望取代目前尚在应用的高压离子闸流管、引燃管、火花间隙开关或真空开关等。

8、新型GTO器件-集成门极换流晶闸管

当前已有两种常规GTO的替代品:高功率的IGBT模块、新型GTO派生器件-集成门极换流IGCT晶闸管。IGCT晶闸管是一种新型的大功率器件,与常规GTO晶闸管相比,它具有许多优良的特性,例如,不用缓冲电路能实现可靠关断、存贮时间短、开通能力强、关断门极电荷少和应用系统(包括所有器件和外围部件如阳极电抗器和缓冲电容器等)总的功率损耗低等。

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