1.3新型GTO器件—集成门极换流晶闸管(IntegratedGateCommutatedThyristor—IGCT)

　　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—集成门极换流晶闸管IGCT。IGCT晶闸管是一种新型的电力电子器卷件，它的最重要特点是有一个引线电感极低的与管饼集成在一起的门极驱动器。图4为门极驱动和器件的外形照片，图中门极驱动器与IGCT管饼之间的距离只有15.cm左右，包括IGCT及其门极驱动电路在内的总引线电感量可以减小到GTO电路的1/100左右，因此与常规GTO晶闸管相比，它具有许多优良的特性，例如：损耗低、开关速度快、关断可靠、易于应用等。这些优点保证了IGCT可以以较低的成本，紧凑、可靠、高效率地用于300.kVA~10.MVA变流器，而不需要串联或并联。

　　目前，IGCT电压已达到9.kV/6.kA研制水平，而6.5.kV或者是6.kA的器件已经开始供应市场了。如用串联，逆变器功率可扩展到100.MVA范围而用于电力设备。因此，IGCT可望成为高功率高电压低频变流器的优选电力电子器件之一。但是，从本质上讲，IGCT仍属于GTO系列，它主要是克服了GTO实际应用中存在的门极驱动的难题。而IGCT门极驱动电路中包含了许多驱动用的MOSFET和储能电容器，所以实际上它仍旧需要消耗较大的门极驱动功率，影响系统的总效率。

　　1.4IGBT及其功率模块

　　自1985年绝缘门极双极型晶体管进入实际应用以来，IGBT已经成为主流电力电子器件，在10~100.kHz的中压、中电流应用范围占有十分重要的地位。IGBT及其模块(包括IPMs)已经涵盖了0.6~6.6.kV的电压和1~3.500.A的电流范围，应用IGBT模块的100.MW级的逆变器也已有商品问世。

　　IGBT是一种电压全控器件，它的开通和关断可以通过门极驱动实现。IGBT相对比较容易驱动并具有低的门极驱动功率，IGBT变流器具有较高的功率密度和较低的成本。IGBT常常封装成功率模块形式。一个IGBT功率模块内实际包含很多的IGBT芯片，例如，一个比较典型的3.300.V/1.200.AIGBT模块中就具有60块IGBT裸芯片和超过450根连线。这些并联的IGBT裸芯片固定在同一块陶瓷衬底上，以保证良好的绝缘和导热，这类模块可以非常容易地安装在散热器上。但是，这种封装结构限制了IGBT模块只能采取单面冷却，这增加了在大电流条件下造成器件损坏的可能性。由此，进一步发展了陶瓷封装的双面散热IGBT模块，这样可以为中压大功率应用中提供与圆盘形密封、双面压接的晶闸管和GTO一样的可靠性。

　　虽然高功率的IGBT模块具有一些优良的特性，例如：能实现di/dt和du/dt的有源控制、有源箝位、易于实现短路电流保护和有源保护等，但是高的导通损耗、低的硅有效面积利用率、损坏后会造成开路等缺点局限了高功率IGBT模块在高功率变流器中的实际应用。在过去二十几年间，基于功率MOSFET、IGBT和智能功率模块的迅速发展，电力电子装置的功率密度也随之得到了显著的提高。另外，日本东芝公司推出了一种新的加强型IGBT(也叫IEGT)，它在关断损耗和导通电压上均取得了很好的折衷，可望成为中功率应用场合的优选电力电子器件。

　　1.5电子注入增强栅晶体管(injectionenhancedgatetransistor，IEGT)

　　IEGT兼有IGBT和GTO两者的某些优点：低饱和压降，宽安全工作区(吸收回路容量仅为GTO的1/10左右)，低栅极驱动功率(比GTO低2个数量级)，和较高的工作频率，由于该器件采用了平板压接式电极引出结构，可望有较高的可靠性和良好的散热效果。

　　目前在母线直流电压超过3.kV的应用场合，IGCT是大功率变流器的首选器件，而在母线电压不超过3.kV的应用中，IGBT、IEGT模块将具有优势，特别是IGBT在短路限流制能力对于硬开关变流器具有很大的吸引力。虽然6.6.kV的IGBT模块已经问世，但是其高昂的价格，要完全取代高功率GTO和IGCT还尚需时日。

　　1.6采用超级结技术的功率MOSFET——COOLMOS

　　70年代功率MOSFET研究成功，它是典型的多数载流子器件，其静态驱动损耗近于零，而开关速度极快。可是，对于标准的MOSFET工艺，其开关频率和功率容量的乘积，器件耐压和电流容量之间的矛盾受到材料极限的限制，如图1所示。其通态电阻Rds正比于UB2.5，所以高压功率MOSFET通态电阻较大，在开关电源中的应用受到很大局限。尽管如此，功率MOSFET在各类开关电源、3C产品中占有巨大的市场。特别是超级结技术引入到MOSFETs后，上述材料极限已被突破。这类器件的设计理念是通过在有源层内引入三维PN结结构，降低PN结周围的最大电场值。以SJ-MOSFET为例，它在寄生二极管的有源层中采用了垂直PN细条的三维结构，它能维持相同的阻断电压，但是由于通过减小垂直PN条的宽度，可以大幅度提高N型导电区的掺杂浓度，导通电阻得以成比例的减小。采用这个方法，当前最优秀的COOLMOS器件的单位面积导通电阻已经降低到相同电压等级传统MOS器件的1/10以下，开关、驱动损耗可降低2倍左右。该器件的问世为功率MOSFET的更广泛应用开辟了新的天地。

　　当前，传统的硅基电力电子器件已经逼近了由于寄生二极管制约而能达到的硅材料极限，为突破目前的器件极限，有两大技术发展方向：一是如上文所述的采用各种新的器件结构；二是采用宽能带间隙材料的半导体器件，如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)器件。

　　1.7碳化硅(SiC)器件

　　碳化硅材料相比于硅材料来说具有许多重要的特性：更高的击穿电场强度2~4.MV/cm；其最高结温可达600.℃等。众所周知，半导体材料的特性对其构成的电子器件表现起着至关重要的作用，利用适当的优良指数可以对SiC和Si以及其他的普通半导体的理论特性进行一个比较。为以Si材料为归一基准的各种半导体材料的各种优良指数对比图：其中Johnson优良指数(JFM)表示器件高功率、高频率性能的基本限制；KFM表示基于晶体管开关速度的优良指数；质量因子1(QF1)表示电力电子器件中有源器件面积和散热材料的优良指数；QF2则表示理想散热器下的优良指数；QF3表示对散热器及其几何形态不加任何假设状况下的优良指数；Baliga优良指数BHFM表示器件高频应用时的优良指数。图6表明，SiC材料具有比硅材料综合的优良特性。高压Si器件通常用于结温在200.℃以下的情况，阻断电压限制在几kV。由于较宽的能带隙，SiC拥有较高的击穿电场和较低的本征载流子浓度，这都使得器件能在高电压、高温下工作。SiC还由于有较高的饱和迁移速度和较低的介电系数，使得SiC器件具有好的高频特性。