第一篇：電力電子器件綜述

電力電子器件綜述

電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)和核心。電力電子技術(shù)的不斷拓撲和發(fā)展都是圍繞著各種新型電力電子器件的誕生和完善進行的?！耙淮娏﹄娮悠骷右淮娏﹄娮蛹夹g(shù)應(yīng)用”是業(yè)界人士普遍的共識，可見其重要。電力電子技術(shù)就是一種采用電力電子器件進行功率變換和控制的技術(shù)。

由于電力電子學(xué)是以電力（Power）為對象的電子學(xué)，因此電力電子器件與微電子器件的區(qū)別是“服務(wù)對象”不同而導(dǎo)致其功能不同，但都是以半導(dǎo)體材料為基板制作成的電子器件。

電力電子技術(shù)的特征是高效和節(jié)能，這主要是電力電子器件一般工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，其特點是：導(dǎo)通時壓降很低；關(guān)斷時漏電流很低。由此可以知道器件本身的功耗與它所控制的功率相比是非常小的，一般可以忽略不計。電力電子器件發(fā)展過程

做電力電子器件所用的材料有鍺、硅和碳化硅。鍺在上世紀70年代已經(jīng)基本不用了，目前絕大部分電力電子器件是采用硅材料做出的。碳化硅是一種潛力較大的電力電子器件材料，目前正在發(fā)展之中。

電力電子器件有近60年的歷史，比起一些傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，如發(fā)電、電機、機床等行業(yè)還是比較“年輕”。但它的發(fā)展速度很快，在一些具有里程碑意義的電力電子器件誕生之后，在自動化、傳感電子和信息技術(shù)的配合下，在工業(yè)界掀起了一場又一場的“革命”?？梢哉f是電力電子器件帶著電力電子技術(shù)走進了千家萬戶，走進了國民經(jīng)濟的許多領(lǐng)域。

在半導(dǎo)體器件出現(xiàn)以前，電子器件主要是真空管和離子管等。1902年Hewitt發(fā)明了玻殼汞弧整流二極管；1911年Scohafer發(fā)展為鐵殼汞弧整流二極管。由于Langmuir發(fā)表了等離子理論，導(dǎo)致Holl在1929年發(fā)明了熱陰極三極放電管。1948年，在美國貝爾實驗室誕生了世界上第一個鍺晶體管，開創(chuàng)了半導(dǎo)體器件的新紀元。半導(dǎo)體器件無需燈絲加熱，其損耗極低，壽命遠遠高于電子管。

1956年貝爾實驗室發(fā)表了有關(guān)信號電平用的pnpn型開關(guān)。1958年，著眼于電力應(yīng)用的美國通用電氣（GE）公司率先研制出世界上第一個可控硅整流元件（SCR_Silicon Controlled Rectifier）。此后，人們將這種四層pn結(jié)和三端結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件稱為晶體閘流管（Thyristor），簡稱晶閘管。晶閘管是電力電子器件中的代表性器件，到目前為至，已有數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)的電力電子器件。由于器件結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致了器件的外特性不盡相同，而電力電子應(yīng)用工程師們將它們巧妙地用在了不同的工業(yè)控制裝置中，使得這些裝置廣泛應(yīng)用在不同的工業(yè)領(lǐng)域，促進和推動了國民經(jīng)濟的發(fā)展。

隨著晶閘管的出現(xiàn)，電子學(xué)進入了強電領(lǐng)域，并顯示出它的強勁的生命力。在上世紀70年代初期，晶閘管基本取代了維護困難的汞弧管。

上世紀七十年代是晶閘管統(tǒng)治電力電子器件的全盛時代，到了八十年代，晶閘管的發(fā)展已完全成熟。而九十年代，作為中小功率用的逆變器件，逐步讓位于工作頻率較高的門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、大功率晶體管（GTR）、功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（功率MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等，當然，還有SIT、SITH、MCT等器件也出現(xiàn)在人們面前。在許多傳統(tǒng)的相控整流領(lǐng)域，開始逐步被開關(guān)整流所取代。但在大功率范疇，雙極性器件仍明顯占主導(dǎo)地位。

由于電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展和深入，對電力電子器件的性能有了新的要求，這樣一些新型電力電子器件不斷涌現(xiàn)。這些器件有的是在GTO、功率MOSFET、IGBT的基礎(chǔ)上對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行一定的改良，有的是將電力電子器件與其他器件或電路進行物理上的組合，如：集成門極換向晶閘管（IGCT）、電子注入增強柵晶體管（IEGT）、集成電力電

子模塊（IPM）、電力電子組合模塊(PEBB)等。電力電子器件的幾個重要概念

電力電子器件是一種大功率的半導(dǎo)體器件，它的基本工作原理與其他半導(dǎo)體類似，都基于半導(dǎo)體物理，如載流子的工作機理、空間電荷區(qū)、能級理論等。但是電力電子器件一般是工作在大電流和高電壓下，因此就會有一系列特殊的物理過程和性能，這些性能對電力電子器件的拓撲和演變是非常重要的，下面簡單介紹幾個重要概念。

雙極型器件和單極型器件依靠多數(shù)載流子和少數(shù)載流子（電子和空穴）同時進行導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件稱為雙極型器件，像普通整流管、普通晶閘管、快速晶閘管、GTO、IGCT、IGBT等等。僅依靠多數(shù)載流子（電子或空穴）進行導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件稱為單極型器件，如功率MOSFET和靜態(tài)感應(yīng)型等電力電子器件。由于單極型器件沒有少子參與導(dǎo)電，因此在器件關(guān)斷期間沒有少子的恢復(fù)過程，所以單極型器件的開關(guān)速度遠遠高于雙極型器件。

但是單極型器件沒有像雙極型器件具有電導(dǎo)調(diào)制作用，因此通態(tài)壓降較大，電流密度較小。一般情況下，通態(tài)電流在100A以上，電壓在600V以上，就是雙極型電力電子器件的天下了。

空間電荷區(qū)在一塊半導(dǎo)體中，如果一部分是N型半導(dǎo)體，一部分是P型半導(dǎo)體，那么他們的交界面，就叫PN結(jié)。在PN結(jié)兩側(cè)的電子和空穴的濃度梯度是不同的，因此發(fā)生了相互擴散。擴散結(jié)果，就在PN結(jié)兩側(cè)的形成一個帶相等正、負電荷的區(qū)域，我們稱這個區(qū)域為空間電荷區(qū)。

空間電荷區(qū)中的載流子濃度和電荷區(qū)的寬度將隨外加電壓的大小會產(chǎn)生變化。空間電荷區(qū)就像一堵“墻”，墻越厚，則器件的耐壓就越高。

少子壽命半導(dǎo)體分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。一般定義為依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體；而依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中雖電子為多數(shù)載流子（多子），但也存在少量空穴，我們稱這些少量的載流子為少子；同理，在P型半導(dǎo)體中，電子為少子。

在任何時候，電子和空穴總是在不斷地產(chǎn)生和復(fù)合。產(chǎn)生率和復(fù)合率相等，則為熱平衡。一旦外界打破這種熱平衡，如外加電壓、光照等，則載流子的數(shù)量要高于在熱平衡狀態(tài)下的數(shù)量。如果外界因素消失，則載流子則經(jīng)過一段復(fù)合的時間又恢復(fù)到熱平衡狀態(tài)，這段時間我們稱恢復(fù)時間，少子壽命是描述少數(shù)載流子恢復(fù)時間的一個重要參數(shù)。

半導(dǎo)體中的少子壽命是可以人為控制的，對于不同用途的電力電子器件，它的少子壽命不同。少子壽命越短，器件的開關(guān)速度越快，像GTO、IGCT等，開關(guān)速度比普通晶閘管要快的多。

電導(dǎo)調(diào)制

電導(dǎo)調(diào)制作用是雙極型晶閘管類電力電子器件所獨有的工作機理，它的好處使通態(tài)電壓降低。在器件導(dǎo)通后，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子大量涌入基區(qū)，這使基區(qū)的載流子濃度大大增加，基區(qū)的導(dǎo)電能力大大提高，即基區(qū)電阻率大大降低了，也就是說基區(qū)的電導(dǎo)被調(diào)制了。

當器件電壓提高，所需的硅片電阻率和厚度就要增加，通態(tài)壓降也就隨之增加。有了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，器件的正向壓降就不會增加太多。電力電子器件的種類

我們知道，如果按大的方面來對電力電子器件來分類，可分為雙極型器件和單極型器件；如果按PN結(jié)的數(shù)量來分，可分為整流管類（1個PN結(jié)）、晶體管類（2個PN結(jié)）、晶閘管類（3個PN結(jié)）；如果按器件關(guān)斷的方式來分，可分為強制關(guān)斷器件類和自關(guān)斷器件類；如果按封裝形式來分，有單管、雙管、多管、混合，模塊、組件等類別，如果按不同時間出現(xiàn)的不同，可分類為第一代、第二代、第三代等。由于電力電子器件品種繁多，分類的方式

也有許多種。

雖然電力電子器件種類繁多，但常用的器件不太多，有普通整流管、快速整流管、快恢復(fù)二極管、功率肖特基勢壘二極管、普通晶閘管、快速晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、不對稱晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、GTO、（IGCT）、IGBT、功率MOSFET、功率集成電路（PIC）、高壓集成電路（HVIC）、智能功率模塊(IPM)、智能功率集成電路（SPIC）等。4 電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域

電力電子器件以核心器件的形式應(yīng)用在電力電子裝置或設(shè)備中。電力電子設(shè)備種類繁多，隨著電力電子器件的創(chuàng)新發(fā)展和其控制方法的不斷涌現(xiàn)，也將不斷推出更多的新型電力電子裝置。從電路角度可分為以下幾個方面：

如果按應(yīng)用領(lǐng)域來劃分，則可分為七個領(lǐng)域：

1）電源類：電源是工業(yè)領(lǐng)域一種基礎(chǔ)裝備，不同的應(yīng)用場合或?qū)﹄娫吹囊蟛煌?，有許多種類，如電解電源、電鍍電源、電焊機電源、高、中頻加熱電源、開關(guān)電源、不間斷電源等。而這些電源中又有不同的種類，其中開關(guān)電源是目前應(yīng)用最為廣泛的一種。

2）電機傳動類：這種類型分直流電機傳動和交流電機傳動兩大類，隨著新型電力電子器件和控制技術(shù)的不斷創(chuàng)新，電機傳動分為從納米領(lǐng)域中微型電機到幾萬千瓦的特大電機，均可用電力電子技術(shù)進行控制。電機量大面廣，其電力電子器件的應(yīng)用空間無可限量。

3）交流電力控制器類：晶閘管交流電力控制器主要應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)，是信息處理控制中心與交流負載之間的接口。交流電力控制器有三種類型：采用移相脈沖觸發(fā)方式的交流調(diào)壓控制器、采用過零脈沖觸發(fā)方式的交流調(diào)功器、采用隨機或過零觸發(fā)的電力電子開關(guān)。晶閘管交流電力控制器的效率一般可達99％，節(jié)能效果顯著。

4）高壓直流輸電（HVDC）類：以電力電子器件為核心部件的變流器是高壓直流輸電的關(guān)鍵設(shè)備之一。高壓直流輸電是對遠距離大容量輸電和電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)一種極為優(yōu)越的方式，它的優(yōu)點是：系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)穩(wěn)定性好、可簡便迅速調(diào)整電流的大小和方向、線路損耗小于交流輸電、聯(lián)網(wǎng)時對兩側(cè)電網(wǎng)有隔離作用等。目前我國高壓直流輸電是世界上發(fā)展最快，應(yīng)用最多的國家，可預(yù)測在未來的20年后，我國高壓直流輸電技術(shù)水平也將在世界上是最高的。

5）無功功率補償類： 大型負載的劇變將使電網(wǎng)產(chǎn)生電壓波動和閃變，因此無功功率補償不僅是為了改善功率因數(shù)，還要考慮盡量減少電壓波動和閃變。采用電力電子器件的無功功率補償裝置已經(jīng)比較成熟，它和電容器、電抗器一起建立不同的投切組合來完成靜態(tài)和動態(tài)的無功功率補償功能。

6）日用電器和便攜式電器類：功率MOSFET的出現(xiàn)，大大拓寬了電力電子技術(shù)在日用電器和便攜式電器應(yīng)用領(lǐng)域。電力電子技術(shù)滲透到空調(diào)、冰箱、照明、膝上式或筆記本計算機，移動電話、DVD機等日用電器中，有的可進行無級調(diào)節(jié)，有的可延長使用時間。單個日用電器和便攜式電器雖然用電不多，但因為量大，其節(jié)電效果是非?？捎^的，綠色照明也是電力電子技術(shù)的一個亮點。

7）汽車電子類：現(xiàn)代的汽車中，由于要求改善發(fā)動機性能，要求更為安全和舒適，有許多部份都要用到半導(dǎo)體器件。例如發(fā)動機控制單元(占功率半導(dǎo)體器件在汽車電子市場中的40%左右)：包括燃油注入控制、點火控制、變速器等等。舒適用部件(約占25%)：包括動力駕駛盤、動力窗、動力門銷、照明控制、空調(diào)、音響等等。安全及保護用部件(約占25-30%)。將來的汽車中，每輛汽車可用到高達二百個電力電子器件，可見其市場之大。電力電子器件與節(jié)能

電力電子器件通常工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，將耗能降低到最低限度。電力電子裝置中主電路均采用電力電子器件，其效率較高（大于85％，一般在90％以上）。電力電子技術(shù)是一種節(jié)能技術(shù)，這主要由于電力電子器件本身的工作機理所決定的。

我們知道，工頻（50～60Hz）是發(fā)電的最佳頻率，但它不是用電的最佳頻率。如果電源頻率提高，磁路截面積可以減小，從而電機體積減小，重量減輕。這種效果對諸如變壓器、電抗器、鎮(zhèn)流器等各種電磁元件都是適用的。為此，新型電力電子器件向高頻發(fā)展，這些均稱之為“高頻器件”。如GTO、IGCT工作在600～1500Hz；IGBT工作在1～50kHz；功率MOSFET可以工作在20～1000kHz。一般來說，電力電子器件工作頻率提高一個數(shù)量級，則用電設(shè)備的體積縮小到原來的一半。由于人的聽覺最高頻率為20kHz，因此將設(shè)備的頻率超過這一頻率，將會減少噪音，所以也有人說這是“20千周革命”。因此電力電子器件的高頻化是目前最為突出的發(fā)展趨勢。

電力電子器件的發(fā)展，使電力電子設(shè)備達到節(jié)省能量、節(jié)省資源、節(jié)省人力。因此，電力電子器件要盡量降低自身的功耗，提高工作頻率，要發(fā)展復(fù)合型、大容量和模塊化，使電力電子設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，可靠性提高，減少損耗，提高效率。電力電子器件與微電子器件

電力電子學(xué)（Power Electronics）和微電子學(xué)（Micro Electronics）構(gòu)成了電子學(xué)的主要內(nèi)容。狹義的講，前者以研究電力的控制和傳輸為重點，后者則是以信號的采集和處理為重點。這種歷史的分野，導(dǎo)致了自電子學(xué)誕生后兩個方向的發(fā)展，隨之也就出現(xiàn)了兩個電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的相互滲透，電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)充分發(fā)揮個自的特長，將兩者融合，這在新型電力電子器件上表現(xiàn)的淋漓盡致。

電力電子學(xué)與信息電子學(xué)在技術(shù)上主要不同點是功效問題。對信息處理用的低電平電路很少要求效率超過15%。而電力電子技術(shù)中的功率電路卻不能容忍其效率低于85%。因此可以說，要求高的效率，是電力電子技術(shù)的主要特征之一。為了提高效率，器件必須采用開關(guān)的工作方式。因為作為開關(guān)而言，導(dǎo)通時幾乎不消耗能量(壓降小)，關(guān)斷時也因為漏電流很小而幾乎不消耗能量。這樣一種近于理想的開關(guān)就是電力電子器件。電力電子器件作為電力電子技術(shù)的核心部件的原因也即在此。

隨著電力電子器件的工作頻率正在不斷的擴大，微電子器件的工藝也逐步引入電力電子器件工藝，如離子注入、外延、精密光刻、介質(zhì)保護，封裝形式等。有的器件，如IGBT和功率MOSFET的全部工藝在IC生產(chǎn)線上進行，只是在最后的終端保護上采取一些特殊措施。

隨著功率集成技術(shù)的迅速發(fā)展，集成電路已出現(xiàn)了一個新的分支∶高壓集成電路(HVIC)或功率集成電路(Power IC)。它使計算機的輸出獲得了一個直接聯(lián)系到負載的 “功率接口”(Power Interface)。所謂功率集成技術(shù)包括隔離技術(shù)、場緩和技術(shù)、復(fù)合技術(shù)、邏輯電路和驅(qū)動電路技術(shù)。這些技術(shù)是各種集成或復(fù)合器件的基礎(chǔ)技術(shù)。當前，POWER IC不僅作為接口，還可以直接用于許多方面，因而有廣泛的產(chǎn)品市場。

兼有雙極性器件(功率)和單極性器件(頻率)兩者之長的新型復(fù)合型器件，在IC工藝和平面結(jié)高壓技術(shù)基礎(chǔ)上也有了很大發(fā)展，并形成了一個復(fù)合器件的大家族，包括雙極型晶體管和MOS的結(jié)合－MOS晶閘管，還有MOSGTO, 雙極型MOS IGT等。從這個意義上來說，電力電子器件已進入集成復(fù)合化的時代。

第二篇：電力電子器件的發(fā)展概況（最終版）

現(xiàn)代的電力電子技術(shù)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(shù)產(chǎn)業(yè)（航天、激光、通信、機器人等）至關(guān)重要，從而已迅速發(fā)展成為一門獨立學(xué)科領(lǐng)域。它的應(yīng)用領(lǐng)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(guān)鍵技術(shù)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(shù)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(shù)的革命。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(shù)指標和技術(shù)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(yīng)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(dǎo)通狀態(tài)時，具有大電流和很低的壓降；在開關(guān)轉(zhuǎn)換時，具有短的開、關(guān)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(dǎo)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(guān)斷晶閘管GTO實現(xiàn)了門極可關(guān)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(yīng)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(dǎo)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最新發(fā)展加以綜述。

一、功率晶閘管的最新發(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(guān)斷器件的飛速發(fā)展，晶閘管的應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用方面仍占有十分重要的地位。預(yù)計在今后若干年內(nèi)，晶閘管仍將在高電壓、大電流應(yīng)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(guān)功率36MVA(6kV/ 6kA)用的高壓大電流GTO。傳統(tǒng)GTO的典型的關(guān)斷增量僅為3～5。GTO關(guān)斷期間的不均勻性引起的“擠流效應(yīng)”使其在關(guān)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(fù)雜和要求較大的驅(qū)動功率。但是，高的導(dǎo)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（0.5～20 MVA）牽引、工業(yè)和電力逆變器中應(yīng)用得最為普遍的是門控功率半導(dǎo)體器件。目前，GTO的最高研究水平為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(shù)，可望使電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方面再上一個臺階。

2．脈沖功率閉合開關(guān)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(guān)應(yīng)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(yīng)用的高壓離子閘流管、引燃管、火花間隙開關(guān)或真空開關(guān)等。

該器件獨特的結(jié)構(gòu)和工藝特點是：門-陰極周界很長并形成高度交織的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)特點確保了該器件在開通瞬間，陰極面積能得到100%的應(yīng)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(guān)斷、存貯時間短、開通能力強、關(guān)斷門極電荷少和應(yīng)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(guān)斷能力是特別重要的方面，因為在實際應(yīng)用中，GTO的應(yīng)用條件主要是受到這些開關(guān)特性的局限。眾所周知，GTO的關(guān)斷能力與其門極驅(qū)動電路的性能關(guān)系極大，當門極關(guān)斷電流的上升率（diGQ/dt）較高時，GTO晶閘管則具有較高的關(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與常規(guī)GTO類似，但是它除了采用了陽極短路型的逆導(dǎo)GTO結(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)斷瞬間全部流入門極，關(guān)斷增益為1，從而使器件迅速關(guān)斷。不言而喻，關(guān)斷IGCT時需要提供與主電流相等的瞬時關(guān)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(guān)這些優(yōu)點保證了IGCT能可靠、高效率地用于300 kVA～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(dǎo)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(yīng)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。

二、IGBT模塊的最新發(fā)展

1．高功率溝槽柵結(jié)構(gòu)IGBT(Trench IGBT)模塊

當今高功率IGBT模塊中的IGBT元胞通常多采用溝槽柵結(jié)構(gòu)IGBT。與平面柵結(jié)構(gòu)相比，溝槽柵結(jié)構(gòu)通常采用1μm加工精度，從而大大提高了元胞密度。由于門極溝的存在，消除了平面柵結(jié)構(gòu)器件中存在的相鄰元胞之間形成的結(jié)型場效應(yīng)晶體管效應(yīng)，同時引入了一定的電子注入效應(yīng)，使得導(dǎo)通電阻下降。為增加長基區(qū)厚度、提高器件耐壓創(chuàng)造了條件。所以近幾年來出現(xiàn)的高耐壓大電流IGBT器件均采用這種結(jié)構(gòu)。

1996年日本三菱和日立公司分別研制成功3.3kV/1.2kA 巨大容量的IGBT模塊。它們與常規(guī)的GTO相比，開關(guān)時間縮短了20%，柵極驅(qū)動功率僅為GTO的1/1000。1997年富士電機研制成功1kA/2.5kV平板型IGBT，由于集電、發(fā)射結(jié)采用了與GTO類似的平板壓接結(jié)構(gòu)，采用更高效的芯片兩端散熱方式。特別有意義的是，避免了大電流IGBT模塊內(nèi)部大量的電極引出線，提高了可靠性和減小了引線電感，缺點是芯片面積利用率下降。所以這種平板壓接結(jié)構(gòu)的高壓大電流IGBT模塊也可望成為高功率高電壓變流器的優(yōu)選功率器件。

2．新型大功率IGBT模塊-電子注入增強柵晶體管IEGT(Injection Enhanced Gate Trangistor)

近年來，日本東芝公司開發(fā)了IEGT，與IGBT一樣，它也分平面柵和溝槽柵兩種結(jié)構(gòu)，前者的產(chǎn)品即將問世，后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO兩者的某些優(yōu)點：低的飽和壓降，寬的安全工作區(qū)（吸收回路容量僅為GTO的1/10左右），低的柵極驅(qū)動功率（比GTO低2個數(shù)量級）和較高的工作頻率。加之該器件采用了平板壓接式電極引出結(jié)構(gòu)，可望有較高的可靠性。

IEGT之所以有前述這些優(yōu)良的特性，是由于它利用了“電子注入增強效應(yīng)"。為了簡要說明這一效應(yīng)，將IGBT及IEGT單胞示意圖示于圖4。與IGBT相比，IEGT結(jié)構(gòu)的主要特點是柵極長度Lg較長，N長基區(qū)近柵極側(cè)的橫向電阻值較高，因此從集電極注入N長基區(qū)的空穴，不像在IGBT中那樣，順利地橫向通過P區(qū)流入發(fā)射極，而是在該區(qū)域形成一層空穴積累層。為了保持該區(qū)域的電中性，發(fā)射極必須通過N溝道向N長基區(qū)注入大量的電子。這樣就使N長基區(qū)發(fā)射極側(cè)也形成了高濃度載流子積累，在N長基區(qū)中形成與GTO中類似的載流子分布，從而較好地解決了大電流、高耐壓的矛盾。目前該器件已達到4.5kV /1kA的水平。

三、MOS門控晶閘管

MOS門極控制晶閘管充分地利用晶閘管良好的通態(tài)特性、優(yōu)良的開通和關(guān)斷特性，可望具有優(yōu)良的自關(guān)斷動態(tài)特性、非常低的通態(tài)電壓降和耐高壓，成為將來在電力裝置和電力系統(tǒng)中有發(fā)展前途的高壓大功率器件。目前世界上有十幾家公司在積極開展對MCT的研究。MOS門控晶閘管主要有三種結(jié)構(gòu)：MOS場控晶閘管（MCT）、基極電阻控制晶閘管(BRT)及射極開關(guān)晶閘管(EST)。其中EST可能是 MOS門控晶閘管中最有希望的一種結(jié)構(gòu)。但是，這

種器件要真正成為商業(yè)化的實用器件，達到取代GTO的水平，還需要相當長的一段時間。

四、采用新型半導(dǎo)體材料制造的新型功率器件

至今，硅材料功率器件已發(fā)展得相當成熟。為了進一步實現(xiàn)人們對理想功率器件特性的追求，越來越多的功率器件研究工作轉(zhuǎn)向了對用新型半導(dǎo)體材料制作新型半導(dǎo)體功率器件的探求。研究表明，砷化鎵FET和肖特基整流器可以獲得十分優(yōu)越的技術(shù)性能。Collins et al公司 用GaAs VFETs 制成了10MHz PWM 變換器，其功率密度高達500W/in3。高壓（600V）砷化鎵高頻整流二極管近年來也有所突破，SiC材料和功率器件的研究工作十分活躍。

1．高壓砷化鎵高頻整流二極管

隨著變換器開關(guān)頻率的不斷提高，對快恢復(fù)二極管的要求也隨之提高。眾所周知，砷化鎵二極管具有比硅二極管優(yōu)越的高頻開關(guān)特性，但是由于工藝技術(shù)等方面的原因，砷化鎵二極管的耐壓較低，實際應(yīng)用受到局限。為適應(yīng)高壓、高速、高效率和低EMI應(yīng)用需要，高壓砷化鎵高頻整流二極管已在Motorola 公司研制成功。與硅快恢復(fù)二極管相比，這種新型二極管的顯著特點是：反向漏電流隨溫度變化小、開關(guān)損耗低、反向恢復(fù)特性好。兩者比較結(jié)果示于表3。

●碳化硅與碳化硅(SiC)功率器件

在用新型半導(dǎo)體材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅(SiC)功率器件。它的性能指標比砷化鎵器件還要高一個數(shù)量級，碳化硅與其他半導(dǎo)體材料相比，具有下列優(yōu)異的物理特點：高的禁帶寬度，高的飽和電子漂移速度，高的擊穿強度，低的介電常數(shù)和高的熱導(dǎo)率。上述這些優(yōu)異的物理特性，決定了碳化硅在高溫、高頻率、高功率的應(yīng)用場合是極為理想的半導(dǎo)體材料。在同樣的耐壓和電流條件下，SiC器件的漂移區(qū)電阻要比硅低200倍，即使高耐壓的 SiC場效應(yīng)管的導(dǎo)通壓降，也比單極型、雙極型硅器件的低得多。而且，SiC器件的開關(guān)時間可達10nS量級，并具有十分優(yōu)越的 FBSOA。

SiC可以用來制造射頻和微波功率器件，各種高頻整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。SiC高頻功率器件已在Motorola公司研發(fā)成功，并應(yīng)用于微波和射頻裝置。GE公司正在開發(fā)SiC功率器件和高溫器件(包括用于噴氣式引擎的傳感器)。西屋公司已經(jīng)制造出了在26GHz頻率下工作的甚高頻的MESFET。ABB公司正在研制高功率、高電壓的SiC整流器和其他SiC低頻功率器件，用于工業(yè)和電力系統(tǒng)。

理論分析表明，SiC功率器件非常接近于理想的功率器件。可以預(yù)見，各種SiC器件的研究與開發(fā)，必將成為功率器件研究領(lǐng)域的主要潮流之一。但是，SiC材料和功率器件的機理、理論、制造工藝均有大量問題需要解決，它們要真正給電力電子技術(shù)領(lǐng)域帶來又一次革命，估計至少還需要十幾年的時間。

五、結(jié)論

經(jīng)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(xiàn)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(dǎo)體材料制成功率器件，實現(xiàn)人們對“理想器件”的追求，將是下個世紀電力電子器件發(fā)展的主要趨勢。

第三篇：4.1 典型全控型電力電子器件

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典型全控型電力電子器件

教學(xué)目的和要求:掌握門極可關(guān)斷晶閘管的工作原理及特性、電力晶體管的工作 原理，了解電力場控晶體管的特性與參數(shù)及安全工作區(qū)。掌握電力場控晶體管的 工作原理。掌握絕緣柵雙極型晶體管的工作原理、參數(shù)特點。了解靜電感應(yīng)晶體 管靜電感應(yīng)晶閘管的工作原理。

重點與難點:掌握電力晶體管、電力場控晶體管、絕緣柵雙極型晶體管的工作原 理、參數(shù)特點。教學(xué)方法: 借助PPT演示、板書等多種形式啟發(fā)式教學(xué)

預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù):復(fù)習(xí)上節(jié)課學(xué)的半控型器件晶閘管的相關(guān)知識,對比理解掌握本節(jié)課程。內(nèi)容導(dǎo)入: 門極可關(guān)斷晶閘管——在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。

全控型電力電子器件的典型代表：門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。

一、門極可關(guān)斷晶閘管

晶閘管的一種派生器件。可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關(guān)斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大 功率場合仍有較多的應(yīng)用。1.GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理

與普通晶閘管的相同點： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門 極。和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。

工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖所示的雙晶體管模型來分析。

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由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益?1 和?2。?1+?2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。

GTO的關(guān)斷過程與普通晶閘管不同。關(guān)斷時，給門極加負脈沖，產(chǎn)生門極電流-IG，此電流使得V1管的集電極電流ICl被分流，V2管的基極電流IB2減小，從 而使IC2和IK減小，IC2的減小進一步引起IA和IC1減小，又進一步使V2的基 極電流減小，形成內(nèi)部強烈的正反饋，最終導(dǎo)致GTO陽極電流減小到維持電流以 下,GTO由通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。

結(jié)論：

? GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度較淺。? GTO關(guān)斷過程中有強烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。

? 多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強。2.GTO的動態(tài)特性

開通過程：與普通晶閘管相同 關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同 3.GTO的主要參數(shù)

（a）開通時間ton（b）關(guān)斷時間toff（c）最大可關(guān)斷陽極電流IATO（d）電流關(guān)斷增益?off ——最大可關(guān)斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。

?off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關(guān)斷

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時門極負脈沖電流峰值要200A。

二、電力晶體管 1.GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

GTR的結(jié)構(gòu)和圖形符號 GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用 集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。

在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。

集電極電流ic與基極電流ib之比為 ? ——GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流 對集電極電流的控制能力。

當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關(guān)系為 ic=? ib +Iceo 單管GTR的? 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可有 效增大電流增益。2.GTR的基本特性(1)靜態(tài)特性

共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)。

在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)。

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(2)動態(tài)特性

、共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性 3.GTR的主要參數(shù)

（a）電流放大倍數(shù)β集電極電流與基極電流之比

（b）集電極最大允許電流ICM 通常規(guī)定為β下降到規(guī)定值的1/2~1/3時所對應(yīng)的Ic。

（c）集電極最大耗散功率PCM 在最高集電結(jié)溫度下允許的耗散功率,等于集電極工作電壓與集電極工作 電流的乘積。4.反向擊穿電壓

? ? 集電極與基極之間的反向擊穿電壓 集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓

擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。5.GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)

一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。

二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即 導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。

安全工作區(qū)：最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二

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次擊穿臨界線限定。

正向偏置安全工作區(qū)

反向偏置安全工作區(qū)

三、功率場效應(yīng)晶體管

特點：用柵極電壓來控制漏極電流。驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開 關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低，只適用于小 功率的電力電子裝置。

1.功率場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)和電氣符號

電力場效應(yīng)晶體管有3個端子：漏極D、源極S和柵極G。當漏極接電源正，源極接電源負時，柵極和源極之間電壓為0，溝道不導(dǎo)電，管子處于截止。如果 在柵極和源極之間加一正向電壓UGS，并且使UGS大于或等于管子的開啟電壓

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UT，則管子開通，在漏、源極間流過電流ID。UGS超過UT越大，導(dǎo)電能力越 強，漏極電流越大。

2.功率場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移和輸出特性

3.功率場效應(yīng)管的驅(qū)動

功率MOSFET對柵極驅(qū)動電路的要求主要有：

1）觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度，即脈沖前后沿要求陡峭。2）開通時以低電阻對柵極電容充電，關(guān)斷時為柵極電荷提供低電阻放電回路，教

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以提高功率MOSFET的開關(guān)速度。

3）為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓； 為了防止誤導(dǎo)通，在其截止時應(yīng)提供負的柵源電壓。

4）功率MOSFET開關(guān)時所需的驅(qū)動電流為柵極電容的充放電電流。功率MOSFET的極間電容越大，在開關(guān)驅(qū)動中所需的驅(qū)動電流也越大。4.功率MOSFET在使用中的靜電保護措施 防止靜電擊穿應(yīng)注意：

1）器件應(yīng)存放在抗靜電包裝袋、導(dǎo)電材料袋或金屬容器中，不能存放在塑料袋中。2）取用功率MOSFET時，工作人員必須通過腕帶良好接地，且應(yīng)拿在管殼部分 而不是引線部分。

3）接入電路時，工作臺應(yīng)接地，焊接的烙鐵也必須良好接地或斷電焊接。4）測試器件時，測量儀器和工作臺都要良好接地。器件三個電極沒有全部接入測 試儀器前，不得施加電壓。改換測試范圍時，電壓和電流要先恢復(fù)到零。

四、絕緣柵雙極晶體管

GTR和GTO的特點——雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。

MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性 好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。1.IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。

導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基 極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。

關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基 極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。2.IGBT的基本特性

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(1)IGBT的靜態(tài)特性(2)IGBT的動態(tài)特性 3.IGBT的主要參數(shù)

(1)最大集射極間電壓UCES(2)最大集電極電流(3)最大集電極功耗PCM IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。相同電壓 和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比 DMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐 壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點。

五、其他新型電力電子器件 1.MOS控制晶閘管MCT 承受極高di/dt和du/dt，快速的開關(guān)過程，開關(guān)損耗小。

高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。

一個MCT器件由數(shù)以萬計的MCT元組成。每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。

其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預(yù)期的數(shù)值，未 能投入實際應(yīng)用。2.靜電感應(yīng)晶體管SIT ? 多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。

? 在雷達通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

缺點：柵極不加信號時導(dǎo)通，加負偏壓時關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能 8

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力強。其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。3.集成門極換流晶閘管IGCT 4 功率模塊與功率集成電路

20世紀80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊。將器件與邏輯、控制、保護、傳感、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路.發(fā)展現(xiàn)狀：

功率集成電路的主要技術(shù)難點：高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理。

以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場合。

智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難點,最近幾年獲得了迅速發(fā)展。

第四篇：電子器件失效分析--學(xué)習(xí)心得

《電子器件失效分析及可靠應(yīng)用》-----學(xué)習(xí)心得

通過8月5日、6日兩天的學(xué)習(xí)培訓(xùn)，結(jié)合我司的實際情況，總結(jié)以下幾點學(xué)習(xí)體會。

一、電子器件失效的理念。

失效分析并不等同于維修，一般大公司的失效分析部包括物料的認證、生產(chǎn)問題的解決、硬件管理和設(shè)計評審，所以產(chǎn)品的失效包含很廣的領(lǐng)域，并不是單純的維修不良品。

二、失效分析的意義

失效分析是打開可靠性工程大門的鑰匙。失效分析可以解決生產(chǎn)即時存在的問題，也為后續(xù)產(chǎn)品可靠性打下良好的基礎(chǔ)，創(chuàng)造明顯的價值。

三、電子器件失效的分類和控制

1、ESD控制

ESD失效的四個特征

隱蔽性：人體感知的靜電放電電壓2-3KV。

潛在性：損傷后性能沒有明顯的下降，往往是在產(chǎn)品到用戶手里半年以上才發(fā)生問題。

隨機性：從一個元件產(chǎn)生以后，一直到它失效以前的所有過程。復(fù)雜性：分析困難，掩蓋了失效的真正原因

結(jié)合我司的生產(chǎn)，首先應(yīng)保證生產(chǎn)儀器的良好接地，工作臺面的接地，特別是烙鐵和測試儀器的接地，再就是防止人體放電，正確配戴靜電手環(huán)。

舉例：LED不允許插在泡沫上，因泡沫上的靜電可達1000V以上，而LED要求靜電等級紅光、綠光大概在500-1000V,藍光大概為100-300V.根據(jù)這一實例，對于我司的IC供應(yīng)商，我們可以要求其出具IC規(guī)格書中的一個靜電等級，以便于有效判斷IC失效是否為靜電損傷的可能性。最后，最好能在生產(chǎn)線配一個靜電測試儀。

2、MSD的控制

器件的潮濕敏感等級分為1-6級，當大于3級(即只允許暴露168H)時，必須要經(jīng)過烘烤后使用;當大于5級或5A級（即只允許暴露24-48H）以上時，建議不使用,否則就會出現(xiàn)“爆米花”效應(yīng)（即當電子零件吸入濕汽時，由于外表溫度的急劇升高，就會導(dǎo)致元件的外封裝出現(xiàn)裂紋）。

結(jié)合我司，以后在電子來料檢驗時，注意供應(yīng)商來料的暴露期限等級。在零件加工及成品生產(chǎn)的全過程注意防潮，注意關(guān)窗，成品任何時候不允許直接放在地面上，必須加隔板，避免靠墻堆放。

3、DFM，即可生產(chǎn)性設(shè)計

根據(jù)新產(chǎn)品的特點，對PCB布局設(shè)計，元件選擇，制造工藝流程選擇，可生產(chǎn)性等進行審核。提出改進建議，并確定工藝難點。在PCB投板之前就預(yù)計到可能產(chǎn)生的工藝問題，提前消除可生產(chǎn)性設(shè)計缺陷對產(chǎn)品造成的影響。

舉例：0805以下的表貼器件，在過波峰時會出現(xiàn)器件的“立碑”現(xiàn)象，即表貼件在焊盤上立起來。造成這種現(xiàn)象的主要原因就是設(shè)計時焊盤沒有做隔熱焊盤，當焊0805以下的表貼器件時，因其重量太輕（小于1克），而此時焊盤兩端的熱不對稱時，一端先熔化，就會出現(xiàn)剛剛所說的“立碑”現(xiàn)象。另外，表貼元器件焊盤和插件焊盤距離不得太近，最好距離5mm以上，有利于制具的制作。

分享者：hensanxu 2011-8-22

第五篇：優(yōu)先主題13新型電子器件

附件1-1

2017年省重點研究與開發(fā)計劃面上攻關(guān)

重點領(lǐng)域方向和優(yōu)先發(fā)展主題

一、智能制造與裝備

優(yōu)先主題1：基礎(chǔ)材料與基礎(chǔ)零部件

圍繞提升核心基礎(chǔ)零部件、先進基礎(chǔ)工藝、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料和產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)等能力，開展高性能軸承、自動變速箱、高精度智能傳感器、高端液壓元件等核心基礎(chǔ)零部件攻關(guān)及工程化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，研發(fā)輕量化材料先進成形制造、超精密加工、高效及復(fù)合加工等先進工藝，開發(fā)控制軟件、工藝數(shù)據(jù)庫、綠色制造、再制造等基礎(chǔ)技術(shù)及應(yīng)用。

優(yōu)先主題2：網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造

建立合作伙伴與用戶廣泛參與、支撐眾包眾智眾創(chuàng)的研發(fā)設(shè)計系統(tǒng)；建成具有泛在感知、高度自治、人機協(xié)同、實時診斷、遠程監(jiān)控、應(yīng)急恢復(fù)等智能車間和智能工廠；研發(fā)基于大數(shù)據(jù)、云模式的供應(yīng)鏈智能管控與預(yù)測系統(tǒng)；基于云平臺構(gòu)建服務(wù)價值鏈協(xié)同體系，支撐產(chǎn)品全生命周期制造服務(wù)。

優(yōu)先主題3：增材制造(3D打印)開展機械設(shè)計制造、數(shù)控、激光、新材料等多學(xué)科的增材制造共性技術(shù)研究，研發(fā)基于激光技術(shù)的金屬3D打印機，并在復(fù)雜高精度模具、航空航天、汽車、軍工等領(lǐng)域特殊功能部（零）件增材制造應(yīng)用。開展醫(yī)療植入物3D打印、基于生物活性材料的人體器官3D打印技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用。

優(yōu)先主題4： 節(jié)能和智能網(wǎng)聯(lián)汽車

支持傳統(tǒng)燃油汽車節(jié)能技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，開展高效內(nèi)燃機、先進變速器、輕量化材料、智能控制等核心技術(shù)攻關(guān)及工程化應(yīng)用研究。面向智能網(wǎng)聯(lián)汽車，以智能化、綠色化、安全化、便利化為發(fā)展方向，開展智能輔助駕駛總體技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)研究。

優(yōu)先主題5：專用動力裝備

開展微小型燃氣輪機研制，應(yīng)用于特種車輛、艦船、能源供應(yīng)裝備（節(jié)能、清潔）等領(lǐng)域；開展高效燃油發(fā)動機技術(shù)研究，突破節(jié)能減排、輕量化等關(guān)鍵技術(shù)。

優(yōu)先主題6：海洋工程裝備與高技術(shù)船舶

開展海洋工程作業(yè)裝備配套、關(guān)鍵零部件配套等技術(shù)攻關(guān)。開展遠洋散貨船、快速集裝箱船、成品油船及化學(xué)品船、游船（艇）、滾裝船等高技術(shù)船舶研發(fā)，以及船用主、輔機與大型船用關(guān)鍵零部件研制。

優(yōu)先主題7：新型工程機械

圍繞新型工程機械的高效、智能、安全、節(jié)能及人性化等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，研究系統(tǒng)控制、綜合測試和先進工藝，重點突破數(shù)字化設(shè)計與制造、節(jié)能環(huán)保、智能控制、安全可靠等關(guān)鍵共性技術(shù)，提升工程機械核心零部件水平，開發(fā)集機、電、液于一體的智能控制系統(tǒng)。

優(yōu)先主題8：智能成套裝備

針對家電、汽車、輕工、新能源等行業(yè)，開發(fā)先進的自動化成套裝備與生產(chǎn)線，開展高性能模具、傳感器系統(tǒng)、總線控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)研究，集成工業(yè)機器人技術(shù)、現(xiàn)場總線控制技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算和大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)成套裝備及生產(chǎn)線的自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化控制。開展智能物流倉儲裝備關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。開展電力裝備、礦山、化工、建材等大型成套設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。

優(yōu)先主題9：傳統(tǒng)裝備的智能化改造

圍繞推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向中高端轉(zhuǎn)型、提升產(chǎn)品質(zhì)量，組織開展傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)裝備智能化升級技術(shù)研發(fā)，加快新技術(shù)、新工藝應(yīng)用，實現(xiàn)鋼鐵、有色、化工、煤炭、輕工、紡織、食品等行業(yè)裝備的智能化改造，提高精準制造和敏捷制造能力。開發(fā)改造壓力容器與管道安全服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)安全智能監(jiān)控和預(yù)警。

二、電子信息

優(yōu)先主題10：信息系統(tǒng)軟件

開展嵌入式軟件技術(shù)、面向行業(yè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析、管理、輔助設(shè)計和制造軟件、電子商務(wù)、電子政務(wù)支撐與協(xié)同應(yīng)用軟件研發(fā)；開展基于內(nèi)容的圖形圖像智能識別、檢索、處理技術(shù)，人機交互技術(shù)，3D圖像處理技術(shù)，基于移動互聯(lián)網(wǎng)的信息采集處理技術(shù)研發(fā)；

4開展高品質(zhì)特種鋼、新型高強韌鋼、高端裝備用鋼、鐵劑復(fù)合材料制備技術(shù)開發(fā)，高精度電子銅帶/銅箔、低松比銅粉、新型引線框架精密帶材等關(guān)鍵銅合金材料研發(fā)，高精鋁板帶、復(fù)合鋁基材料、特種合金材料制備技術(shù)開發(fā)。開展特種金屬功能材料共性關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用。

優(yōu)先主題19：新型無機非金屬材料

開展光伏、平面顯示硅基新材料、超大尺寸硅材料、功能化特種玻璃、特種光纖高性能陶瓷粉體、大功率LED及IGBT用高導(dǎo)熱陶瓷與器件、磁傳感材料與器件等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。

優(yōu)先主題20：納米材料及其他新材料

開展石墨烯、高端功能納米材料、高效納米催化材料、高密度存儲材料、稀土功能材料、新能源材料、新型復(fù)合材料、高性能結(jié)構(gòu)材料、環(huán)保新材料、功能膜、高性能化纖、核電工程材料等關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)。

五、節(jié)能環(huán)保與新能源技術(shù) 優(yōu)先主題21：節(jié)能技術(shù)與裝備

開展余熱余壓利用設(shè)備、高效節(jié)能鍋爐、潔凈煤高效轉(zhuǎn)化裝備、垃圾焚燒發(fā)電設(shè)備、高效節(jié)能變壓器、節(jié)能電機、智能電網(wǎng)、節(jié)能建材、半導(dǎo)體照明等節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用，推進節(jié)能技術(shù)與裝備產(chǎn)業(yè)化。

優(yōu)先主題22：環(huán)保技術(shù)與裝備

開展水污染處理技術(shù)裝備、生活垃圾生化處理設(shè)備、垃圾滲濾液處理設(shè)備、污泥高效深度脫水及資源化應(yīng)用成套設(shè)備、重金屬污染治理與污染土壤修復(fù)成套裝備，煙氣除塵、脫硫和脫硝高效處理及協(xié)同處置裝備，有毒有害廢氣及有機廢氣高效凈化技術(shù)裝備，“三廢”在線監(jiān)測、檢測技術(shù)裝備等環(huán)保裝備和產(chǎn)品的開發(fā)。

優(yōu)先主題23：太陽能光伏技術(shù)與裝備

開展光伏并網(wǎng)發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究，開發(fā)高效能太陽能光伏逆變器、儲能變流器、太陽能電池板、光伏組件用功率優(yōu)化器等光伏設(shè)備，突破光伏電站群控、風(fēng)光柴蓄多能源互補、智能微網(wǎng)、大規(guī)模儲能等關(guān)鍵技術(shù)。

六、資源環(huán)境

優(yōu)先主題24：礦產(chǎn)資源綠色高效開發(fā)利用

以鐵、銅、金多金屬共生資源為重點，開發(fā)品位低、埋藏深的綠色高效采選冶關(guān)鍵技術(shù)與裝備，開展金屬及重要非金屬的典型礦床、資源勘查技術(shù)研究；重點突破煤炭綠色開采工藝和煤炭清潔高效利用技術(shù)，探索開展煤層氣、頁巖氣、地?zé)岬刃滦湍茉促Y源的勘查及開采關(guān)鍵技術(shù)研究。

優(yōu)先主題25：水污染防治

研發(fā)巢湖、淮河流域重點行業(yè)工業(yè)廢水減排與深度處理成套技術(shù)，工業(yè)園區(qū)廢水分質(zhì)回收、處理、利用集成技術(shù)，分散式生活污水高標準低成本處理技術(shù)，城市污水處理廠“提標改造”和“提效

8范化標準種植、中藥材生態(tài)種植技術(shù)研究；選擇新安名醫(yī)名方、名老中醫(yī)驗方開發(fā)新品種、新劑型；針對重大疾病開展具有中醫(yī)藥優(yōu)勢的中藥復(fù)方、中藥組分或單體新藥的研發(fā)；加快中藥傳統(tǒng)制劑、特色方劑的二次開發(fā)利用，創(chuàng)新中藥材炮制技術(shù)；加強中藥材綜合利用研究。

優(yōu)先主題33：新藥研究

開展藥物分子設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)、分子標志物發(fā)現(xiàn)與靶向藥物技術(shù)研究；開展新型抗體、新型疫苗、腫瘤精準治療、抗病毒藥物及手性藥物等關(guān)鍵技術(shù)研究；開展抗癌抗腫瘤類、抗感染、心血管類、老年病用藥、兒童用藥、干細胞等擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新藥物研制。

優(yōu)先主題34：高端醫(yī)療器械

開展新型成像前沿技術(shù)、質(zhì)控和檢驗標準化技術(shù)、多模態(tài)分子成像系統(tǒng)、新型斷層成像系統(tǒng)、新一代超聲成像系統(tǒng)、大型放射治療裝備、醫(yī)用有源植入式裝置的研發(fā)；開展細胞成像、流式細胞儀等生命科學(xué)儀器及體外診斷試劑的研發(fā)；開展新型醫(yī)用光學(xué)設(shè)備的研發(fā)；開展系統(tǒng)康復(fù)設(shè)備研發(fā)；開展生物醫(yī)用材料、新型高值醫(yī)用耗材研發(fā)。

九、城市發(fā)展

優(yōu)先主題35：綠色建筑推廣及建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化

開展建筑能效提升技術(shù)研究與示范，淺層地?zé)崮?、太陽能等可再生能源建筑關(guān)鍵技術(shù)研究與示范，圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱材料、高性能混凝土等綠色建材技術(shù)應(yīng)用及評價研究，預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范，鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范，建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用研究與示范、綠色建筑技術(shù)集成應(yīng)用研究與示范、建筑能耗監(jiān)管體系研究與示范；推動物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)與城市規(guī)劃建設(shè)管理深度融合。

優(yōu)先主題36：體育、旅游產(chǎn)業(yè)及公共服務(wù)信息化

開展數(shù)字旅游、智慧旅游等現(xiàn)代服務(wù)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研究與應(yīng)用；開展旅游資源可持續(xù)利用的綜合技術(shù)應(yīng)用示范；開展我省優(yōu)勢和潛優(yōu)勢競技體育項目的綜合測試與科學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)研發(fā)；開展體育產(chǎn)品的文化創(chuàng)意與研發(fā)、智能化健身服務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用；開展云計算環(huán)境下智慧社區(qū)的資源共享關(guān)鍵技術(shù)研究與示范。

十、公共安全

優(yōu)先主題37：社會安全與應(yīng)急技術(shù)及裝備

開展社會安全基礎(chǔ)信息綜合應(yīng)用技術(shù)、立體化社會治安防控關(guān)鍵技術(shù)、社會安全事件決策與指揮調(diào)度技術(shù)等社會安全預(yù)測預(yù)警和查控處置技術(shù)研究；開展多模態(tài)城市安全監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)、智能視覺監(jiān)控技術(shù)、語音識別技術(shù)等城市安全技術(shù)研究，開展智能交通系統(tǒng)管控集成與優(yōu)化、無人機應(yīng)用、交通擁堵、事故、災(zāi)害的防控、檢測和處置等交通安全技術(shù)研究，開展重特大災(zāi)害事故的現(xiàn)場處置、搶險救援、綜合指揮、戰(zhàn)勤補給等應(yīng)急指揮技術(shù)研究，建立衛(wèi)星通

112種質(zhì)特性和育種及高效繁育技術(shù)研究，新品種（配套系）培育等種質(zhì)創(chuàng)新。開展優(yōu)異水產(chǎn)種質(zhì)資源發(fā)掘及品種選育、水產(chǎn)新品種引進與繁育。開展農(nóng)林作物和畜禽水產(chǎn)育種信息技術(shù)與平臺、育種公共服務(wù)平臺建設(shè)。

優(yōu)先主題44:糧食作物豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)增效

研究糧食作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)協(xié)同機理、形態(tài)生理關(guān)鍵指標及精確調(diào)控途徑，糧食作物豐產(chǎn)增效協(xié)同的資源優(yōu)化配置機理與高效種植模式。開展糧食作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)宜機收品種篩選及其配套栽培技術(shù)、糧食作物生長監(jiān)測診斷與精確栽培技術(shù)研究。研究主要氣象災(zāi)變過程及其減災(zāi)保產(chǎn)調(diào)控、主要病蟲草害發(fā)生及其綠色防控、土壤培肥與豐產(chǎn)增效耕作技術(shù)。開展農(nóng)機農(nóng)藝農(nóng)信融合的糧食作物生產(chǎn)技術(shù)系統(tǒng)研發(fā)與示范，全程機械化輕簡栽培技術(shù)模式創(chuàng)新與示范，糧食作物生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)精準決策服務(wù)新技術(shù)研究。

優(yōu)先主題45:特色農(nóng)林作物提質(zhì)增效

開展果樹（水果、堅果）、蔬菜、西甜瓜、茶葉、油茶、蠶桑、花卉、中藥材、珍稀樹種、能源林及其它經(jīng)濟作物等種質(zhì)資源鑒定評價，種苗集約化生產(chǎn)技術(shù)，化肥農(nóng)藥減施增效關(guān)鍵技術(shù)研究。開展機械化、輕簡化、信息化生態(tài)安全種植技術(shù)模式研究與示范。開展具有區(qū)域特色的優(yōu)質(zhì)專用作物豐產(chǎn)保優(yōu)增效技術(shù)集成與示范。研發(fā)特色農(nóng)林作物的采收與初加工工藝及裝備。

優(yōu)先主題46:主要畜禽水產(chǎn)健康養(yǎng)殖

開展重大動物疾病、免疫抑制病和新發(fā)疫病等重要疫病診斷與檢測新技術(shù)及防控關(guān)鍵技術(shù)研究；研究畜禽營養(yǎng)代謝與中毒性疾病防控、重要病原耐藥性檢測與控制技術(shù)。開展畜禽廢棄物無害化處理與資源化利用新技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)。開展無抗生素、無臭、零排放等生態(tài)養(yǎng)殖技術(shù)集成與示范。研究重要水生動物疫病診斷與綜合防控技術(shù)，開展高效、生態(tài)、減排、標準化健康養(yǎng)殖技術(shù)研究和大水面生態(tài)友好型漁業(yè)利用等技術(shù)研究與示范。

優(yōu)先主題47：農(nóng)林廢棄物資源化與高效利用

開展糧食深加工廢棄物高效飼料化利用研究，秸稈、果蔬加工等農(nóng)林廢棄物高效利用技術(shù)研究。開展畜禽糞肥中抗生素、重金屬等污染物高效去除與鈍化技術(shù)研究，清潔環(huán)保型畜禽糞肥開發(fā)與高效利用。開展作物秸稈與畜禽糞肥養(yǎng)分資源高效與清潔化利用技術(shù)模式集成示范。

十三：農(nóng)產(chǎn)品加工和安全

優(yōu)先主題48：農(nóng)產(chǎn)品食品加工技術(shù)

開展大宗農(nóng)產(chǎn)品加工重大共性關(guān)鍵技術(shù)和大宗油料高效、綠色精制技術(shù)研究，研究畜禽水產(chǎn)品精深加工與物流配送關(guān)鍵技術(shù)。開展蔬菜、干鮮水果精深加工和茶葉清潔化、標準化加工及林特產(chǎn)品加工提質(zhì)增效技術(shù)研究。開展大宗農(nóng)產(chǎn)品烘干貯藏保鮮共性關(guān)鍵技術(shù)及農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后減損技術(shù)創(chuàng)新。

優(yōu)先主題49：農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全

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