第二章 电力电子器件(2.5-2.6)

重庆理工大学CHONGQINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气与电子工程学院SchoolofElectricalandElectronicEngineering电力电子技术第2章电力电子器件电气与电子工程学院SchoolofElectricalandElectronicEngineering电力电子器件概述2.1不可控器件——电力二极管2.2半控型器件——晶闸管2.3典型全控型器件2.4其他新型电力电子器件2.5功率集成电路与集成电力电子模块2.6其他新型电力电子器件2.52.5.3静电感应晶闸管SITH2.5.1MOS控制晶闸管MCT2.5.2静电感应晶体管SIT2.5.4集成门极换流晶闸管IGCT2.5.5基于宽禁带半导体材料的电力电子器件其他新型电力电子器件2.5其他新型电力电子器件2.5基于宽禁带半导体材料的电力电子器件■宽禁带半导体材料耐压等级与导通电阻的矛盾通流能力与开关速度的矛盾其他新型电力电子器件2.5基于宽禁带半导体材料的电力电子器件■宽禁带半导体材料◆禁带宽度在3.0电子伏特左右及以上的半导体材料◆硅的禁带宽度为1.12电子伏特（eV）◆典型的是碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石等其他新型电力电子器件2.5基于宽禁带半导体材料的电力电子器件■宽禁带半导体材料的特点◆耐受高电压、低通态电阻◆更好的导热性能和热稳定性◆耐受更高的高温和辐射其他新型电力电子器件2.5■宽禁带半导体材料的特点◆SiCMOSFET的特点☞开通速度与IGBT和MOSFET差不多，但是反并联二极管恢复速度更快☞关断过程没有没有少子存储效应☞常闭型、电压驱动型、驱动功率小基于宽禁带半导体材料的电力电子器件其他新型电力电子器件2.5■结型场效应晶体管■多子导电，工作频率与MOSFET相当，功率容量比MOSFET大，适用于高频大功率场合■不加栅极驱动时，SIT导通，加负偏压时关断，使用不方便■通态电阻大，还未得到广泛应用静电感应晶体管SIT其他新型电力电子器件2.5■IGBT+GTO■IGCT（IntegratedGateCommutatedThyristors）■由平板型GTO+多个并联MOSFET+门极驱动电路组成■容量与普通GTO相当，开关速度比普通GTO快10倍■驱动功率仍然很大■通态电阻大，还未得到广泛应用集成门极换流晶闸管IGCT其他新型电力电子器件2.5■SIT+GTO■又称为场控晶闸管（FieldControlledThyristor——FCT）■与GTO类似，开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件■驱动功率仍然很大■电流关断增益较小，应用范围还有待拓展静电感应晶闸管SITH其他新型电力电子器件2.5■MOSFET+晶闸管■MCT（MOSControlledThyristor）■结合MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速开关和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点■关键技术问题没有突破，未能投入实际应用MOS控制晶闸管MCT其他新型电力电子器件2.52.5.3静电感应晶闸管SITH2.5.1MOS控制晶闸管MCT2.5.2静电感应晶体管SIT2.5.4集成门极换流晶闸管IGCT2.5.5基于宽禁带半导体材料的电力电子器件第2章电力电子器件电气与电子工程学院SchoolofElectricalandElectronicEngineering电力电子器件概述2.1不可控器件——电力二极管2.2半控型器件——晶闸管2.3典型全控型器件2.4其他新型电力电子器件2.5功率集成电路与集成电力电子模块2.6功率集成电路与集成电力电子模块2.6■基本概念◆20世纪80年代，多个器件封装在一个模块成为趋势◆可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性◆大大减小线路电感，简化对保护和缓冲电路的要求◆将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（PowerIntegratedCircuit——PIC）功率集成电路与集成电力电子模块2.6Datasheet功率集成电路与集成电力电子模块2.6■实际应用电路◆高压集成电路（HighVoltageIC——HVIC）☞一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成◆智能功率集成电路（SmartPowerIC——SPIC）☞一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19VDMOSLDMOS功率集成电路与集成电力电子模块2.6■实际应用电路◆高压集成电路（HighVoltageIC——HVIC）☞一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成LDMOS功率集成电路与集成电力电子模块2.6■实际应用电路◆高压集成电路（HighVoltageIC——HVIC）☞一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成◆智能功率集成电路（SmartPowerIC——SPIC）☞一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成◆智能功率模块（IntelligentPowerModule——IPM）☞专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（IntelligentIGBT）。Datasheet功率集成电路与集成电力电子模块2.6■发展现状◆主要技术难点：高低压电路的绝缘问题以及温升和散热◆开发和研究主要在中小功率应用场合◆智能功率模块最近几年发展迅速，一定程度上回避了上述两个难点◆实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口第2章电力电子器件电气与电子工程学院SchoolofElectricalandElectronicEngineering电力电子器件概述2.1不可控器件——电力二极管2.2半控型器件——晶闸管2.3典型全控型器件2.4其他新型电力电子器件2.5功率集成电路与集成电力电子模块2.6本章小结电力电子器件分类“树”本章小结电力电子器件分类之一（载流子参与导电的情况）单极型：电力MOSFET双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR复合型：IGBT本章小结电力电子器件分类之二（驱动控制的情况）电压驱动型：单极型器件和复合型器件特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。电流驱动型：双极型器件特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂本章小结光控晶闸管：容量最大,8kV/3.5kA，装置最高达300MVAGTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV/6kAIGBT：兆瓦以下首选,主体产品，第四代产品，制造水平2.5kV/1.8kA。仍在不断发展，试图在兆瓦以上取代GTO电力MOSFET：长足进步，中小功率领域（低压），地位牢固SiC-MOSFET：前景广阔，发展迅猛功率模块和功率集成电路是现在电力电子发展的一个共同趋势当前的应用格局: