国际电气工程先进技术译丛 先进的高压大功率器件 原理、特性和应用.pdf

?、?、?、?、?、?、?、?、?、?、?国际电气工程先进技术译丛先进的高压大功率器件 原理、特性和应用Advanced High Voltage Power Device Concepts美 B.Jayant Baliga著于坤山 金锐 杨霏 赵志斌 齐磊 译机 械 工 业 出 版 社 本书共11 章。第 1 章简要介绍了高电压功率器件的可能应用，定义了理想功率开关的电特性，并与典型器件的电特性进行了比较。第 2 章和第 3 章分析了硅基功率晶闸管和碳化硅基功率晶闸管。第 4 章讨论了硅门极关断（GTO）晶闸管结构。第 5 章致力于分析硅基 IGBT 结构，以提供对比分析的标准。第 6 章和第 7 章分析了碳化硅 MOSFET 和碳化硅 IGBT 的结构。碳化硅 MOSFET 和 IGBT的结构设计重点在于保护栅氧化层，以防止其提前击穿。另外，必须屏蔽基区，以避免扩展击穿。这些器件的导通电压降由沟道电阻和缓冲层设计所决定。第 8章和第9 章讨论了金属氧化物半导体控制晶闸管（MCT）结构和基极电阻控制晶闸管（BRT）结构，后者利用 MOS 栅控制晶闸管的导通和关断。第 10 章介绍了发射极开关晶闸管（EST），该种结构也利用一种 MOS 栅结构来控制晶闸管的导通与关断，并可利用 IGBT 加工工艺来制造。这种器件具有良好的安全工作区。本书最后一章比较了书中讨论的所有高压功率器件结构。本书的读者对象包括在校学生、功率器件设计制造和电力电子应用领域的工程技术人员及其他相关专业人员。本书适合高等院校有关专业用作教材或专业参考书，亦可被电力电子学界和广大的功率器件和装置生产企业的工程技术人员作为参考书之用。译者序功率半导体器件作为电力电子系统中的核心元器件，自 20 世纪 70 年代发明以来，一直是现代生活不可或缺的重要电子元器件，其应用领域从常见的家用消费类电子设备、汽车电子系统、智能电网，到各种工业设备、动力机车、航天、船舶系统。作为能源控制领域的核心元器件，世界上至少 50%的用电量是由功率器件所控制的，特别是近年来在全球面临能源短缺、环境恶化等考验时，如何最大限度地发挥功率半导体器件在能源控制领域的优异特性，如何优化产品性能来满足节能减排需求，实现有限资源的充分利用，无疑是电力电子领域相关从业人员重点关注、了解、解决的重要课题。而这就需要全面深入地了解功率半导体器件的基本原理，理解器件的物理模型及工作机理，在掌握器件的工作特性后，才能真正利用科学技术力量解决与国民生产生活息息相关的重大问题，不断提高现代化生活质量。这也正是科学技术研究工作的真正核心价值体现。本书作者 Baliga 教授是世界范围内认可的功率电子器件界的领军人物。本书自出版以来，一直是该领域的经典著作，始终被国内外大学作为教科书或教学参考书，也是从事半导体器件研究和开发的工程师及科学工作者的重要参考书。本书向读者介绍了先进的金属氧化物半导体栅极功率晶闸管（MOS-gated power thyristor）的概念，从最基本的半导体泊松方程、连续性方程、传导方程出发，严格推导出这种先进功率晶闸管特性的理论计算公式，循序渐进。IGBT 在很多大功率电动机驱动和输电系统等领域已取代晶闸管，书中也包含了 IGBT 特性的介绍。为了突出功率器件中应用宽禁带半导体材料的重要性，本书也对碳化硅结构进行了分析。全书配有大量翔实的图表数据和绘制的精美图例，并辅助理论模型公式和数值仿真结果对比，使读者在对各类功率半导体器件特性全面系统认识的同时，能逐渐深入了解器件工作的内部物理机理。特别是书中包含的大量实际器件的数值仿真结果，源于作者多年研究工作的丰富积累，能给读者对器件工作特性描述以具体、直观的理解和感受，而不是拘泥于复杂的模型公式记忆，这也是同类书中少有的。作者前言中叙述了各章节的主要内容，这里不再赘述。为了使本书能够和广大读者尽快见面，国网智能电网研究院相关研究人员参与了本书的翻译工作。全书共分为 11 章，其中第 1 3 章由华北电力大学副教授赵志斌博士翻译，第 4、5 章由华北电力大学副教授齐磊博士翻译，第 6、7、11 章由国网智能电网研究院高级工程师杨霏博士翻译，第 8 10 章由国网智能电网研究院高级工程师金锐博士翻译，审校工作由国网智能电网研究院教授级高工于坤山完成，华北电力大学教授崔翔，北京工业大学副教授吴郁为本书的翻译工作提供了大力支持。值此成书之际，对参与本书翻译工作的相关人员，在此表示由衷的感谢。由于译者水平及经验有限，译本中的不妥和疏漏之处在所难免，恳请广大读者批评指出。译 者2014 年 9 月 先进的高压大功率器件 原理、特性和应用原 书 前 言大气碳排放会对环境产生不利影响这一观点已在世界范围内被广泛接受。通过两种途径可以减少碳排放。第一种解决途径是节能减排。通过提升电能的管理和分配效率，从而在不影响现有社会生活水平的情况下达到节能的目的。功率半导体器件被认为是实现这一目标的关键之一。据估测，世界上至少 50%的电能都由功率器件控制。随着电子设备在消费、工业、照明、交通等领域的广泛应用，功率器件决定了电力系统的成本与效率，进而对经济产生重要影响。减轻碳排放的第二种途径是发展诸如风能、太阳能等可再生能源。这些（可再生能源）设施通过电力电子变换器将电能转换成能满足用户和行业需要的常规 60Hz 交流电。由于涉及相对大的功率等级，在上述应用领域中使用的功率半导体器件必须具有高压大电流的处理能力。在 20 世纪 50 年代，既有的真空管被功率整流器和晶闸管所替代。固体半导体器件提供了更小的尺寸，更好的耐用性和更高的效率。在过去的 60 年里，晶闸管的额定功率稳步提升。一方面通过使用大直径硅片，将晶闸管的电流处理能力从100A 提高到 4000A 以上；另一方面利用中子嬗变掺杂技术的高阻硅，将晶闸管的阻断电压从200V 增加到超过8000V。这些器件已主要应用于高压直流输配电系统。晶闸管整流电路的复杂性和由此产生的功率损耗，推动了 20 世纪 60 年代门极关断（GTO）晶闸管的发明。这些装置受到了如钢铁、电力机车（牵引车）等需要大型电动机驱动行业的青睐。在过去的 50 年里，GTO 晶闸管的额定功率稳步提升，电流处理能力达到 4000A，阻断电压达到 6000V1。硅基 GTO 晶闸管所需的大驱动电流促进了 20 世纪 80 年代绝缘栅双极型晶体管（IGBT）2的发明。在过去的 30 年里，IGBT 在消费、工业、运输、军事等领域的中、高功率电力电子系统中占据统治地位，甚至在医疗领域也有一席之地。据美国能源部估计，基于 IGBT 的变速传动装置在控制电动机上的应用，可每年节能超过两千万亿英热（Btu），相当于 70GW 电能。相当于每年节约 70 座燃煤火力发电厂的发电量，降低二氧化碳排放超过 1 万亿磅。现在，IGBT 的功率水平已提升至电流处理能力超过 1000A，闭锁电压 6kV。IGBT 现在不仅应用于大功率电动机牵引3（如日本新干线高速列车），也被应用于高压直流配电网4。风能、太阳能等可再生能源（的应用）需要在换流器中应用功率半导体器件，随着对这些可再生能源的持续投资，可以预料的是未来对有丰富经验的功率半导体 1Btu=1.05506kJ，后同。器件设计和制造技术人员的需求会不断增长。我最近出版的教材5对基本的电力整流器、晶体管、晶闸管的结构予以了综合分析。在 2009 年，该教材补充了关于“先进电力整流器概念”的专题，以向学生和工程专业人员介绍那些表现出改进性能属性的二极管器件。在 2010 年，该教材补充了关于“先进功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）概念”的专题，向学生和工程专业人员介绍那些表现出改进性能属性的开关器件。本书向读者介绍了先进的金属氧化物半导体栅极功率晶闸管（MOS-gatedpower thyristor）概念，该结构可提升高电压下的性能。此处讨论的器件额定电压范围为 5 20kV。为方便读者，本书也给出了在相同额定电压范围内的基本晶闸管结构与新型器件结构的分析以供进行性能比较。与教材中的情况一样，本书所表述的这种先进功率晶闸管特性的理论计算公式是由基本的半导体泊松方程、连续性方程、传导方程严格推导而来的。由于 IGBT 在很多大功率电动机驱动和输电系统等领域已取代晶闸管，本书内容也包括了 IGBT 特性的介绍。与各章节中展示的典型例子一样，本书中讨论的所有功率器件的电特性均可通过这些解析表达式计算获得。为了证实这些解析公式的有效性，在本书的各章节中均包含二维数值仿真的结果。当仿真结果与两者相关时，仿真结果也被用来进一步阐明物理特性和二维效应。为了提升功率器件中应用宽禁带半导体材料的重要性，本书中的内容也包括了对碳化硅结构的分析。在第 1 章中简要介绍了高电压功率器件的可能应用。接着定义了理想功率开关的电特性，并与典型器件的电特性进行了比较。第 2 章和第 3 章分析了硅基功率晶闸管和碳化硅基功率晶闸管，分析内容包括阻断特性、导通电压降和开关特性。第4 章讨论了硅门极关断（GTO）晶闸管的结构。第 5 章致力于分析硅基 IGBT 结构以提供对比分析的标准。因为任何用于替换的硅或碳化硅器件的技术必须优于目前通用的硅 IGBT 系统才具有应用价值。第 6 章和第 7 章分析了碳化硅 MOSFET 和碳化硅 IGBT。4H-SiC 材料更高的击穿场强允许漂移区掺杂浓度提升 200 倍同时减少漂移区厚度一个数量级。这就使具有低导通电阻的 5kV 和 10kV 碳化硅 MOSFET 具备了可行性。对于更高的阻断电压，碳化硅 IGBT 结构需要进一步改进。碳化硅 MOSFET 和 IGBT 的结构设计必须在承受着大得多的电场强度条件下保护栅氧化层以防止其击穿。另外，必须屏蔽基区以避免扩展击穿。这些器件的导通电压降由沟道电阻和缓冲层设计所决定。第8 章和第9 章讨论了金属氧化物半导体控制晶闸管（MCT）结构和基极电阻控制晶闸管（BRT）结构，后者利用金属氧化物半导体栅来控制晶闸管的导通和关断。第 10 章介绍了发射极开关晶闸管（EST），该种结构也利用一种金属氧化物半导体栅结构来控制晶闸管的导通与关断，并可利用 IGBT 的加工工艺来制造。这种器件的附加特征是具有良好的安全工作区。最后一章比较了本书讨论的所有高压功率器件结构，为提供一个更加广阔的视 先进的高压大功率器件 原理、特性和应用角，在各种不同的阻断电压下比较了这些器件的性能。我希望本书能对功率半导体产业的学者和产品设计人员有所裨益。本书还可作为我所编写教材的补充，用于固体器件相关课程的教学。B.Jayant Baliga罗利市，北卡罗来纳州2011 年 3 月参 考 文 献原 书 前 言目录译者序原书前言 参考文献第 1 章 引言1 1.1 典型功率转换波形2 1.2 典型高压功率器件结构3 1.3 硅器件击穿修正模型5 1.4 典型高压应用9 1.4.1 变频电动机驱动9 1.4.2 高压直流输配电11 1.5 总结15 参考文献15第 2 章 硅晶闸管17 2.1 功率晶闸管结构和应用19 2.2 5kV 硅晶闸管21 2.2.1 阻断特性22 2.2.2 导通特性26 2.2.3 开启33 2.2.4 反向恢复35 2.2.5 小结36 2.3 10kV 硅晶闸管37 2.3.1 阻断特性37 2.3.2 导通特性40 2.3.3 开启42 2.3.4 反向恢复44 2.3.5 小结45 2.4 总结45 参考文献46第 3 章 碳化硅晶闸管47 3.1 碳化硅晶闸管结构47 3.2 20kV 硅基对称阻断晶闸管48 3.2.1 阻断特性48 3.2.2 导通特性51 3.3 20kV 碳化硅晶闸管56 3.3.1 阻断特性56 3.3.2 导通特性58 3.4 结论63 参考文献64第 4 章 门极关断（GTO）晶闸管65 4.1 基本结构和工作原理65 4.2 5kV 硅 GTO66 4.2.1 阻断特性67 4.2.2 漏电流71 4.2