功率半導體器件的研究意義在哪里

功率半導體器件分類

按照電力電子器件能夠被控制電路信號所控制的程度分類：

1.半控型器件，例如晶閘管；

2.全控型器件，例如GTO（門極可關斷晶閘管）、GTR（電力晶體管），PowerMOSFET（電力場效應晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）；

3.不可控器件，例如電力二極管；

按照驅(qū)動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)分類：

1.電壓驅(qū)動型器件，例如IGBT、PowerMOSFET、SITH（靜電感應晶閘管）；

2.電流驅(qū)動型器件，例如晶閘管、GTO、GTR；

根據(jù)驅(qū)動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間的有效信號波形分類：

1.脈沖觸發(fā)型，例如晶閘管、GTO；

2.電子控制型，例如GTR、PowerMOSFET、IGBT；

按照電力電子器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分類：

1.雙極型器件，例如電力二極管、晶閘管、GTO、GTR；

2.單極型器件，例如PowerMOSFET、SIT、肖特基勢壘二極管；

3.復合型器件，例如MCT（MOS控制晶閘管）、IGBT、SITH和IGCT。

大功率半導體器件的發(fā)展

分立功率器件按照功率的大小劃分為大功率半導體器件和中小功率半導體器件。具體來說，大功率晶閘管專指承受電流值在200A以上的晶閘管產(chǎn)品;大功率模塊則指承受電流25A以上的模塊產(chǎn)品;大功率IGBT、MOSFET指電流超過50A以上的IGBT、MOSFET產(chǎn)品。

1956年美國貝爾實驗室（BellLab）發(fā)明了晶閘管，國際上，70年代各種類型的晶閘管有了很大發(fā)展，80年代開始加快發(fā)展大功率模塊，同時各種大功率半導體器件在歐美日有很大的發(fā)展，90年代IGBT等全控型器件研制成功并開始得到應用。

在國內(nèi)，60年代晶閘管研究開始起步，70年代研制出大功率的晶閘管，80年代以來，大功率晶閘管在中國得到很大發(fā)展，同時開始研制模塊;本世紀以來，開始少量引進超大功率晶閘管（含光控晶閘管）技術;近年來國家正在逐步引進IGBT、MOSFET技術。中國宏觀經(jīng)濟的不斷成長，帶動了大功率半導體器件技術的發(fā)展和應用的不斷深入。

晶閘管、模塊、IGBT的發(fā)明和發(fā)展順應了電力電子技術發(fā)展的不同需要，是功率半導體發(fā)展歷程中不同時段的重要標志產(chǎn)品，他們的應用領域、應用場合大部分不相同，小部分有交叉。

高電壓、大電流、高頻化、模塊化、智能化的方向發(fā)展。在10Khz以下、大功率、高電壓的場合，大功率晶閘管和模塊具有很強的抗沖擊能力及高可靠性而占據(jù)優(yōu)勢，同時又因成本較低、應用簡單而易于普及。在10Khz以上、中低功率場合，IGBT、MOSFET以其全控性、適用頻率高而占據(jù)優(yōu)勢。

國內(nèi)外功率半導體器件的發(fā)展

在特高壓直流輸電技術需求的驅(qū)動下，我國以晶閘管為代表的半控型器件技術已經(jīng)成熟，水平居世界前列，6英寸的晶閘管已廣泛用于高壓直流輸電系統(tǒng)，并打入國際市場，形成了國際競爭力。

硅基IGBT器件

國際上，2500V以上大功率IGBT主要供貨商有英飛凌、ABB、三菱和東芝。ABB致力于器件開發(fā)、裝置研制及工程應用，焊接型IGBT已有6500V/750A、3300V/1500A和1700V/3600A系列;壓接型IGBT已有4500V/2000A、4500V/3000A系列，4500V/2000A已有工程應用，4500V/3000A仍處于試用與推廣階段。東芝的壓接型IGBT采用圓形陶瓷管殼封裝，主要有4500V/1500A和4500V/2100A系列，4500V/1500A在南澳柔性直流工程有應用。

國內(nèi)，研究機構與國內(nèi)的芯片代工廠合作開發(fā)出3300V~6500V系列IGBT和FRD芯片。有一兩家企業(yè)已獨立開發(fā)出3300V/1200A，3300V/1500A，4500V/1200A系列焊接型IGBT產(chǎn)品并已得到不同程度的批量應用，目前正開發(fā)3300~4500V/2000~3000A壓接型IGBT。

總體來看，以ABB為代表的國際大公司在高壓大功率IGBT方面一直處于引領者的地位，其器件技術水平比國內(nèi)要領先一代左右，在市場占有方面處于壟斷地位。而國內(nèi)功率半導體研發(fā)制造企業(yè)只在一些單項技術方面取得了突破，尚未實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的整體突破，尚不具備與國外大公司相抗衡的能力。

SiC器件

與傳統(tǒng)硅器件相比，SiC器件有著更加優(yōu)良的綜合性能，如高電壓、高結(jié)溫等。20世紀90年代，美國、日本和德國就開始對SiC材料和功率器件相關技術進行研究，各種SiC功率器件相繼問世。在SiC材料方面，SiC材料微孔問題已得到解決，SiC襯底材料已由4英寸逐漸過渡到6英寸。在SiC器件方面，國外SiC中低壓器件已實現(xiàn)產(chǎn)品化，高壓器件還處于樣品研發(fā)與試用階段。CREE和ROHM已推出1.2kV/300A全SiC模塊產(chǎn)品，三菱公司研發(fā)出1.7kV/1200A混合模塊和3.3kV/1500A全SiC功率模塊樣品。在SiC器件高壓應用方面，CREE、POWEREX和GE聯(lián)合研制一臺基于SiC-MOSFET的容量為1MVA、開關頻率達20kHz的單相電力電子變壓器。

國內(nèi)在SiC材料方面，已研制出6英寸SiC襯底樣品;外延方面，4~6英寸外延材料已初步形成產(chǎn)品;SiC器件方面，已研制出1.2kV/200A半橋結(jié)構的全SiC功率模塊，3.3kV/600A混合模塊樣品;SiC器件高壓應用方面，已研制出基于SiCMOSFET的200kVA換流器樣機。

在SiC器件領域，國外大公司仍是行業(yè)主導，在中低壓中小功率SiC器件方面已形成完整產(chǎn)業(yè)鏈，出貨量呈倍增態(tài)勢，正在步入成熟期。國內(nèi)現(xiàn)階段基本以研究為主，集中于SiC技術鏈條中的個別點上進行攻關，總體看綜合實力不強，在材料和外延方面尚存在短板，與國際先進水平還有一定差距。

功率半導體器件的研究意義

功率半導體器件是電力電子技術及其應用裝置的基礎，是推動電力電子變換器發(fā)展的主要源泉。功率半導體器件處于現(xiàn)代電力電子變換器的心臟地位，它對裝置的可靠性、成本和性能起著十分重要的作用。40年來，普通晶閘管（Thyristor，SCR）、門極關斷晶閘管（GTO）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）先后成為功率半導體器件的發(fā)展平臺。能稱為“平臺”者，一般是因為它們具備以下幾個特點：①長壽性，即產(chǎn)品生命周期長；②滲透性，即應用領域?qū)?；③派生性，即可以派生出多個相關新器件家屬。

電力電子變換器的功率等級覆蓋范圍非常廣泛，包括小功率范圍（幾W到幾kW），如筆記本電腦、冰箱、洗衣機、空調(diào)等；中功率范圍（10kW到幾MW），如電氣傳動、新能源發(fā)電等；大功率范圍（高達幾GW），如高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)等。

電力電子變換器的應用領域越來越廣泛，同時也對功率半導體器件提出了更高的性能需求。繼前些年推出集成門極晶閘管（IGCT）和電子注入增強型柵極晶體管（IEGT）后，如今采用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）材料的新型功率器件已經(jīng)應運而生。目前，功率半導體的發(fā)展主要是其功率承受能力和開關頻率之間的矛盾，往往功率越大，耐壓越高，允許的開關頻率就越低。從功率半導體器件的個體來說，大功率和高頻化仍是現(xiàn)階段發(fā)展的兩個重要方向。

功率半導體器件應用需要考慮大功率電路應用的特性，如絕緣、大電流能力等，在實際應用中，以動態(tài)的“開”和“關”為運行特征，一般不運行在放大狀態(tài)。由功率半導體器件構成的電力電子變換器實施的是電磁能量轉(zhuǎn)換，而不是單純的開/關狀態(tài)，它的很多非理想應用特性在電力電子變換器中起著舉足輕重的作用。要用好功率半導體器件，既要熟悉電力電子變換器的拓撲，更要充分掌握器件本身的特性。