先进的高压大功率器件

  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。

巴利加(Baliga)教授是世界知名的功率电子器件界的领军人物。

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
2.25kV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
2.310kV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
3.220kV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
3.320kV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
4.25kV硅GTO66
4.2.1阻断特性67
4.2.2漏电流71
4.2.3通态电压降76
4.2.4关断特性82
4.2.5对寿命的依赖性97
4.2.6开关损耗99
4.2.7最大工作频率102
4.2.8关断增益103
4.2.9缓冲层掺杂103
4.2.10透明发射极结区108
4.310kV硅GTO113
4.3.1阻断特性113
4.3.2通态电压降115
4.3.3关断特性118
4.3.4开关损耗119
4.3.5最大工作频率119
4.3.6关断增益119
4.4反偏压安全工作区120
4.5总结121
参考文献121
第5章硅绝缘栅双极型晶体管(IGBT)122
5.1基本结构和操作122
5.25kV硅沟槽栅IGBT123
5.2.1阻断特性123
5.2.2漏电流123
5.2.3通态电压降129
5.2.4关断特性135
5.2.5对寿命的依赖性148
5.2.6开关损耗149
5.2.7最大工作频率151
5.2.8缓冲层掺杂152
5.2.9透明发射极结构159
5.35kV硅基平面栅IGBT167
5.3.1阻断特性167
5.3.2通态电压降169
5.3.3关断特性171
5.3.4对寿命的依赖性172
5.3.5开关损耗173
5.3.6最大工作频率173
5.410kV硅IGBT175
5.4.1阻断特性176
5.4.2通态电压降178
5.4.3关断特性180
5.4.4开关损耗181
5.4.5最大工作频率181
5.5正向偏置安全工作区181
5.6反向偏压安全工作区183
5.7结论185
参考文献186
第6章碳化硅平面MOSFET结构187
6.1屏蔽型平面反型模式MOSFET结构187
6.2阻断模型188
6.3栅阈值电压189
6.4导通电阻190
6.4.1沟道电阻190
6.4.2积累区电阻191
6.4.3JFET区电阻191
6.4.4漂移区电阻192
6.4.5总导通电阻192
6.5电容193
6.6感性负载时的关断特性194
6.75kV反型模式MOSFET197
6.7.1阻断特性197
6.7.2比导通电阻201
6.7.3器件电容204
6.7.4感性负载下的关断特性207
6.7.5开关损耗209
6.7.6最大工作频率211
6.810kV反型模式MOSFET211
6.8.1阻断特性211
6.8.2比导通电阻213
6.8.3感性负载下的关断特性216
6.8.4开关损耗216
6.8.5最大工作频率217
6.920kV反型模式MOSFET217
6.9.1阻断模式218
6.9.2比导通电阻220
6.9.3感性负载下的关断特性222
6.9.4开关损耗223
6.9.5最大工作频率224
6.10结论224
参考文献228
第7章碳化硅IGBT229
7.1N沟道非对称结构230
7.1.1阻断特性230
7.1.2导通电压降240
7.1.3关断特性249
7.1.4对寿命的依赖性258
7.1.5开关损耗260
7.1.6最大工作频率262
7.2N沟道非对称器件的优化263
7.2.1结构优化264
7.2.2阻断特性264
7.2.3导通电压降267
7.2.4关断特性271
7.2.5对寿命的依赖性276
7.2.6开关损耗279
7.2.7最大工作频率280
7.3P沟道非对称结构281
7.3.1阻断特性281
7.3.2导通电压降289
7.3.3关断特性292
7.3.4对寿命的依赖性296
7.3.5开关损耗297
7.3.6最大工作频率298
7.4结论300
参考文献300
第8章硅基MCT301
8.1基本结构与工作302
8.25kV硅MCT306
8.2.1击穿特性307
8.2.2通态电压降312
8.2.3关断特性319
8.2.4对寿命的依赖性327
8.2.5开关损耗328
8.2.6最大工作频率329
8.310kV硅MCT331
8.3.1阻断特性331
8.3.2通态电压降333
8.3.3关断特性335
8.3.4开关损耗337
8.3.5最大工作频率338
8.4正向偏置安全工作区338
8.5反向偏置安全工作区339
8.6结论341
参考文献341
第9章硅基极电阻控制晶闸管342
9.1基本结构和工作原理342
9.25kV硅基BRT346
9.2.1阻断特性346
9.2.2通态电压降350
9.2.3关断特性354
9.2.4对寿命的依赖性360
9.2.5开关损耗361
9.2.6最大工作频率362
9.3改进的结构和工作方式363
9.3.1阻断特性365
9.3.2通态电压降368
9.3.3关断特性370
9.410kV硅BRT370
9.4.1阻断特性370
9.4.2通态电压降372
9.4.3关断特性373
9.4.4开关损耗376
9.4.5最大工作频率376
9.5正向偏置安全工作区376
9.6反向偏置安全工作区377
9.7总结379
参考文献379
第10章硅发射极开关晶闸管380
10.1基本结构与工作特性380
10.25kV硅SC-EST385
10.2.1阻断特性386
10.2.2通态电压降390
10.2.3关断特性398
10.2.4对寿命的依赖性402
10.2.5开关损耗403
10.2.6最大工作频率404
10.2.7正向偏压安全工作区405
10.35kV硅DC-EST407
10.3.1阻断特性407
10.3.2通态电压降409
10.3.3关断特性417
10.3.4对寿命的依赖性421
10.3.5开关损耗422
10.3.6最大工作频率422
10.3.7正向偏压安全工作区424
10.410kV硅EST425
10.4.1阻断特性425
10.4.2通态电压降427
10.4.3关断特性428
10.4.4开关损耗429
10.4.5最大工作频率430
10.5反向偏压安全工作区430
10.6结论432
参考文献433
第11章总述434
11.15kV器件434
11.1.1导通电压降434
11.1.2功率损耗折中曲线435
11.1.3正向偏置安全工作区435
11.1.4反向偏置安全工作区437
11.210kV器件437
11.2.1导通电压降438
11.2.2关断损耗438
11.2.3最大工作频率439
11.3结论439
参考文献439
作者简介440

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6000V\[1\]。 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。 原 书 前 言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-gatedpowerthyristor）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JayantBaliga罗利市，北卡罗来纳州2011年3月