功率半導(dǎo)體器件入門知識科普

1. 常用的功率半導(dǎo)體器件知識大匯總

電力電子器件(Power Electronic Device)，又稱為功率半導(dǎo)體器件，用于電能變換和電能控制電路中的大功率(通常指電流為數(shù)十至數(shù)千安，電壓為數(shù)百伏以上)電子器件?？梢苑譃榘肟匦推骷⑷匦推骷筒豢煽匦推骷?，其中晶閘管為半控型器件，承受電壓和電流容量在所有器件中最高;電力二極管為不可控器件，結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠;還可以分為電壓驅(qū)動型器件和電流驅(qū)動型器件，其中GTO、GTR為電流驅(qū)動型器件，IGBT、電力MOSFET為電壓驅(qū)動型器件。

1. MCT (MOS Control led Thyristor)：MOS控制晶閘管

MCT的等效電路圖

MCT 是一種新型MOS 與雙極復(fù)合型器件。如上圖所示。MCT是將 MOSFET 的高阻抗、低驅(qū)動圖 MCT 的功率、快開關(guān)速度的特性與晶閘管的高壓、大電流特型結(jié)合在一起，形成大功率、高壓、快速全控型器件。實質(zhì)上MCT 是一個MOS 門極控制的晶閘管。它可在門極上加一窄脈沖使其導(dǎo)通或關(guān)斷，它由無數(shù)單胞并聯(lián)而成。它與GTR，MOSFET， IGBT，GTO 等器件相比，有如下優(yōu)點：

(1)電壓高、電流容量大，阻斷電壓已達3 000V，峰值電流達1 000 A，最大可關(guān)斷電流密度為6 000kA/ m2;

(2)通態(tài)壓降小、損耗小，通態(tài)壓降約為11V;

(3)極高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已達 20 kV/s ，di/dt為2 kA/s;

(4)開關(guān)速度快， 開關(guān)損耗小，開通時間約200ns，1 000 V 器件可在2 s 內(nèi)關(guān)斷;

2. IGCT( Intergrated Gate Commutated Thyristors)

IGCT 是在晶閘管技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合 IGBT 和GTO 等技術(shù)開發(fā)的新型器件，適用于高壓大容量變頻系統(tǒng)中，是一種用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導(dǎo)體器件。

IGCT 是將GTO 芯片與反并聯(lián)二極管和門極驅(qū)動電路集成在一起，再與其門極驅(qū)動器在外圍以低電感方式連接，結(jié)合了晶體管的穩(wěn)定關(guān)斷能力和晶閘管低通態(tài)損耗的優(yōu)點。在導(dǎo)通階段發(fā)揮晶閘管的性能，關(guān)斷階段呈現(xiàn)晶體管的特性。IGCT 芯片在不串不并的情況下，二電平逆變器功率0.5~ 3 MW，三電平逆變器 1~ 6 MW;若反向二極管分離，不與IGCT 集成在一起，二電平逆變器功率可擴至4 /5 MW，三電平擴至 9 MW。

目前，IGCT 已經(jīng)商品化， ABB 公司制造的 IGCT 產(chǎn)品的最高性能參數(shù)為4[1] 5 kV / 4 kA ，最高研制水平為6 kV/ 4 kA。1998 年，日本三菱公司也開發(fā)了直徑為88 mm 的GCT 的晶閘管IGCT 損耗低、 開關(guān)快速等優(yōu)點保證了它能可靠、高效率地用于300 kW~ 10 MW 變流器，而不需要串聯(lián)和并聯(lián)。

3. IEGT( Injection Enhanced Gate Transistor) 電子注入增強柵晶體管

IEGT 是耐壓達 4 kV 以上的 IGBT 系列電力電子器件，通過采取增強注入的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了低通態(tài)電壓，使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發(fā)展。IEGT 具有作為MOS 系列電力電子器件的潛在發(fā)展前景，具有低損耗、高速動作、高耐壓、有源柵驅(qū)動智能化等特點，以及采用溝槽結(jié)構(gòu)和多芯片并聯(lián)而自均流的特性，使其在進一步擴大電流容量方面頗具潛力。另外，通過模塊封裝方式還可提供眾多派生產(chǎn)品，在大、中容量變換器應(yīng)用中被寄予厚望。日本東芝開發(fā)的 IECT 利用了電子注入增強效應(yīng)，使之兼有 IGBT 和 GTO 兩者的優(yōu)點: 低飽和壓降，安全工作區(qū)(吸收回路容量僅為 GTO 的十分之一左右) ，低柵極驅(qū)動功率(比 GT O 低兩個數(shù)量級)和較高的工作頻率。器件采用平板壓接式電機引出結(jié)構(gòu)，可靠性高， 性能已經(jīng)達到4.5 kV/ 1 500A 的水平。

4. IPEM( Intergrated Power Elactronics Mod ules) :集成電力電子模塊

IPEM 是將電力電子裝置的諸多器件集成在一起的模塊。它首先是將半導(dǎo)體器件MOSFET， IGBT或MCT 與二極管的芯片封裝在一起組成一個積木單元，然后將這些積木單元迭裝到開孔的高電導(dǎo)率的絕緣陶瓷襯底上，在它的下面依次是銅基板、氧化鈹瓷片和散熱片。在積木單元的上部，則通過表面貼裝將控制電路、門極驅(qū)動、電流和溫度傳感器以及保護電路集成在一個薄絕緣層上。IPEM 實現(xiàn)了電力電子技術(shù)的智能化和模塊化，大大降低了電路接線電感、系統(tǒng)噪聲和寄生振蕩，提高了系統(tǒng)效率及可靠性

5. PEBB(Power Electric Building Block) :

典型的PEBB

電力電子積木PEBB ( Pow er Elect ric Building Block ) 是在IPEM 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的可處理電能集成的器件或模塊。PEBB 并不是一種特定的半導(dǎo)體器件，它是依照最優(yōu)的電路結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同器件和技術(shù)的集成。典型的PEBB 上圖所示。雖然它看起來很像功率半導(dǎo)體模塊，但PEBB 除了包括功率半導(dǎo)體器件外，還包括門極驅(qū)動電路、電平轉(zhuǎn)換、傳感器、保護電路、電源和無源器件。PEBB 有能量接口和通訊接口。通過這兩種接口，幾個PEBB 可以組成電力電子系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以像小型的DC- DC 轉(zhuǎn)換器一樣簡單，也可以像大型的分布式電力系統(tǒng)那樣復(fù)雜。一個系統(tǒng)中， PEBB的數(shù)量可以從一個到任意多個。多個 PEBB 模塊一起工作可以完成電壓轉(zhuǎn)換、能量的儲存和轉(zhuǎn)換、陰抗匹配等系統(tǒng)級功能，PEBB 最重要的特點就是其通用性。

6.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。現(xiàn)在許多國家已能穩(wěn)定生產(chǎn)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。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。

7.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。

8.新型GTO器件-集成門極換流晶閘管

當(dāng)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。

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

當(dāng)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。

10.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。

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。

11.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(dāng)長的一段時間。

12.砷化鎵二極管

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，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。

13.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(biāo)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)。

審核編輯：湯梓紅