詳解功率半導(dǎo)體器件的常見(jiàn)分類(lèi)

我們知道功率器件是電子裝置中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，它利用半導(dǎo)體單向?qū)щ姷奶匦?，改變電子裝置中電壓、頻率、相位和直流交流轉(zhuǎn)換等功能。根據(jù)可控性和其他使用因素，功率器件分成了很多種類(lèi)別，其中常見(jiàn)的分類(lèi)有：

MOS控制晶閘管MCT(MOS Controlled Thyristor)

MCT是一種新型MOS與雙極復(fù)合型器件。MCT是將MOSFET的高阻抗、低驅(qū)動(dòng)圖MCT的功率、快開(kāi)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(shí)質(zhì)上MCT是一個(gè)MOS門(mén)極控制的晶閘管。它可在門(mén)極上加一窄脈沖使其導(dǎo)通或關(guān)斷，它由無(wú)數(shù)單胞并聯(lián)而成。

IGCT集成門(mén)極換流晶閘管(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(kāi)發(fā)的新型器件，具有電流大、阻斷電壓高、開(kāi)關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、低導(dǎo)通損耗等特點(diǎn)。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，適用于高壓大容量變頻系統(tǒng)，而且造成本低，成品率高，有很好的應(yīng)用前景。

IGCT是將GTO芯片與反并聯(lián)二極管和門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，再與其門(mén)極驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。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。

集成電力電子模塊IPEM(Intergrated Power Elactronics Modules)

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(gè)積木單元，然后將這些積木單元迭裝到開(kāi)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(guò)表面貼裝將控制電路、門(mén)極驅(qū)動(dòng)、電流和溫度傳感器以及保護(hù)電路集成在一個(gè)薄絕緣層上。

IPEM實(shí)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。

電力電子積木PEBB(Power Electric Building Block)

PEBB是在IPEM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(jì)的不同器件和技術(shù)的集成。

它除了包括功率半導(dǎo)體器件外，還含有門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路、電平轉(zhuǎn)換、傳感器、保護(hù)電路、電源和無(wú)源器件。PEBB有能量接口和通訊接口，通過(guò)這兩種接口，幾個(gè)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(jiǎn)單，也可以像大型的分布式電力系統(tǒng)那樣復(fù)雜。

一個(gè)系統(tǒng)中，PEBB的數(shù)量可以從一個(gè)到任意多個(gè)。多個(gè)PEBB模塊一起工作可以完成電壓轉(zhuǎn)換、能量的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換、陰抗匹配等系統(tǒng)級(jí)功能，PEBB最重要的特點(diǎn)就是其通用性。

電子注入增強(qiáng)柵晶體管IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)

IEGT是耐壓達(dá)4kV以上的IGBT系列電力電子器件，通過(guò)采取增強(qiáng)注入的結(jié)構(gòu)實(shí)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(dòng)作、高耐壓、有源柵驅(qū)動(dòng)智能化等特點(diǎn)，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(jìn)一步擴(kuò)大電流容量方面頗具潛力。另外，通過(guò)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。

超大功率晶閘管

晶閘管(SCR)自問(wèn)世以來(lái)，其功率容量提高了近3000倍。近十幾年來(lái)，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(wú)功補(bǔ)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。

該器件獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)是：門(mén)-陰極周界很長(zhǎng)并形成高度交織的結(jié)構(gòu)，門(mén)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(zhǎng)，門(mén)-陰極之間的水平距離小于一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度。上述兩個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確保了該器件在開(kāi)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(shí)峰值電流。

高功率溝槽柵結(jié)構(gòu)IGBT(TrenchIGBT)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(mén)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(chǎng)效應(yīng)晶體管效應(yīng)，同時(shí)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(zhǎng)基區(qū)厚度、提高器件耐壓創(chuàng)造了條件。所以近幾年來(lái)出現(xiàn)的高耐壓大電流IGBT器件均采用這種結(jié)構(gòu)。

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(gè)數(shù)量級(jí)，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(diǎn)：高禁帶寬度，高飽和電子漂移速度，高擊穿強(qiáng)度，低介電常數(shù)和高熱導(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(chǎng)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(chǎng)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(kāi)關(guān)時(shí)間可達(dá)10nS量級(jí)，并具有十分優(yōu)越的FBSOA。SiC可以用來(lái)制造射頻和微波功率器件，各種高頻整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。

以上就是常見(jiàn)的功率半導(dǎo)體器件。電力電子變換器的功率等級(jí)覆蓋范圍非常廣泛，包括小功率范圍：如筆記本電腦、冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等;中功率范圍電氣傳動(dòng)、新能源發(fā)電等;大功率范圍：如高壓直流輸電系統(tǒng)等，科技的發(fā)展也對(duì)功率半導(dǎo)體器件提出了越來(lái)越多、越來(lái)越高的性能需求。

審核編輯：湯梓紅