陈老师给你介绍半导体功率器件知识大汇总

半导体功率器件常用知识总结

电力电子器件（Power Electronic Device），又称功率半导体装置，用于电能变换和电能控制电路中的大功率（通常指电流为数十至数千安，电压超过数百伏）电子装置。可分为半控制装置、全控制装置和不可控装置，其中晶闸管为半控制装置，电压和电流容量最高；电力二极管为不可控装置，结构简单，原理简单，工作可靠；也可分为电压驱动装置和电流驱动装置，其中GTO、GTR电流驱动装置，IGBT、电力MOSFET电压驱动器件。

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1. MCT (MOS Control led Thyristor)：MOS控制晶闸管

MCT 是一种新型MOS 与双极复合型器件。如上图所示。MCT是将 MOSFET 高阻抗、低驱动图 MCT 的功率和快开关速度与晶闸管的高压和大电流特性相结合，形成大功率、高压和快速的全控装置。MCT 是一个MOS 门极控制的晶闸管。它可以在门极上加入一个狭窄的脉冲来导致或关闭，它由无数的单胞并联而成。GTR，MOSFET，IGBT，GTO 与其他设备相比，具有以下优点：

(1)电压高、电流容量大，阻断电压已达3 000V，峰值电流达1000 A，最大关闭电流密度为6 000kA/ m2；

(2)通态压降小、损耗小，通态压降约为11V；

(3)极高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已达 20 kV/s ，di/dt为2 kA/s；

(4)开关速度快，开关损耗小，开通时长约200ns，1 000 V 设备可在2 s 内关断；

2. IGCT( Intergrated Gate Commutated Thyristors)

IGCT 在晶闸管技术的基础上结合 IGBT 和GTO 等技术开发的新型设备适用于高压大容量变频系统，是巨型电力电子设备中的新型电力半导体设备。

IGCT 是将GTO 芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成，然后以低电感的方式与门极驱动器连接，结合晶体管的稳定关闭和低通态晶闸管损失的优点。晶闸管的性能在导通阶段发挥作用，晶闸管的特现在关闭阶段。IGCT 芯片功率0.5~ 3 MW， 1三电平逆变器~ 6 MW；如果反向二极管分离，则不与反向二极管分离IGCT二电平逆变器的功率可以扩展到4 /5 MW，三电平扩大到 9 MW。

目前，IGCT 已商品化，ABB 公司制造的 IGCT 产品最高性能参数为4[1] 5 kV / 4 kA ，最高研发水平为6 kV/ 4 kA。1998年，日本三菱还开发了直径88 mm 的GCT 的晶闸管IGCT 损耗低， 开关快，保证了300 可靠高效地使用kW~ 10 MW 变流器不需要串联和并联。

3. IEGT( Injection Enhanced Gate Transistor) 电子注入增强栅晶体管

IEGT 耐压4 kV 以上的 IGBT 系列电力电子设备通过增强注入结构达到低通态电压，使大容量电力电子设备实现了飞跃。IEGT 具有作为MOS 系列电力电子设备的潜在发展具有低损耗、高速运行、高耐压、智能有源网驱动的特点，以及沟槽结构和多芯片并联自均流的特点，具有进一步扩大电流容量的潜力。此外，许多派遣产品也可以通过模块包装提供，并在大中容量变换器的应用中寄予厚望。日本东芝开发的 IECT 采用电子注入增强效应，使其兼有 IGBT 和 GTO 两者的优点: 低饱和压降，安全工作区(吸收回路容量仅为 GTO ，约十分之一的 ，低栅极驱动功率(比 GT O 低两个数量级)和更高的工作频率。该装置采用平压电机引出结构，可靠性高，性能达到4.5 kV/ 1 500A 的水平。

4. IPEM( Intergrated Power Elactronics Mod ules) :集成电力电子模块

IPEM 是将电力电子设备的许多设备集成在一起的模块。它首先是半导体设备MOSFET，IGBT或MCT 与二极管芯片包装在一起形成一个积木单元，然后将这些积木单元迭装在高电导率的绝缘陶瓷衬底上，其次是铜基板、氧化铍瓷板和散热器。在积木单元的上部，控制电路、门极驱动、电流和温度传感器以及珍惜电路通过外部安装集成在薄绝缘层上。IPEM 实现了电力电子技术的智能化和模块化，大大降低了电路接线电感、系统噪声和寄生振荡，提高了系统的效率和可靠性

5. PEBB(Power Electric Building Block) :

电力电子积木PEBB ( Pow er Elect ric Building Block ) 是在IPEM 可处理电能集成器件或模块的根部。PEBB 不是特定的半导体设备，是根据最佳电路结构和系统结构设计的不同设备和技术的集成。PEBB 如上图所示。虽然看起来像功率半导体模块，但是PEBB 除功率半导体装置外，还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、珍爱电路、电源和无源装置。PEBB 能量接口和通信接口。通过这两个接口，几个PEBB 可以形成电力电子系统。这些系统可以像小系统一样DC- DC 转换器和大型分布式电力系统一样简单。在一个系统中，PEBB数量可以从一个到任个。PEBB 模块可完成电压转换、能量储存转换、阴抗匹配等系统级功能，PEBB 最重要的特点是其通用性。

6．超大功率晶闸管

晶闸管（SCR）自问世以来，其功率容量增加了近3000倍。此时，许多国家已经能够稳定生产8kV / 4kA晶闸管。此时日本已投产8kV / 4kA和6kV / 6kA晶闸管的光触发(LTT)。美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。近十年来，由于自关断器件的快速发展，晶闸管的应用领域有所缩小。然而，由于其高电压和高电流特性，它正在发展HVDC、静止无功补偿（SVC）、大功率直流电源和超大功率和高压变频调速应用仍然占有非常重要的地位。预计晶闸管将在未来几年内继续应用高压和大电流。

此时，许多制造商可以提供额定开关功率36MVA ( 6kV/ 6kA )高压大电流GTO。传统GTO典型的关闭增量仅为3~5。GTO关节期间不均匀引起的挤流效应使其处于关节期间dv/dt必须限制500~1kV/μs。为此，人们不得不使用体积大、价格昂贵的吸收电路。此外，其门极驱动电路复杂，驱动功率大。到目前为止，在高压下（VBR > 三.3kV )，大功率(0.5～20 MVA）门控功率半导体装置最常用于牵引、工业和电力逆变器。GTO最高钻研水平为6in、6kV / 6kA以及9kV/10kA。为了满足电力系统对1GVA在不久的将来，上述三相逆变功率电压源的需求很可能开发10kA/12kV的GTO，有可能攻克30多个高压GTO串联技术有望使电力电子技术在电力系统中的应用更上一层楼。

7.脉冲功率闭合开关晶闸管

该器件特别适用于传送极强的峰值功率（数MW）、持续时间极短(数ns）激光器、高强度照明、放电点火、电磁发射器、雷达调制器等放电闭合开关应用场合。该设备可以数数kV在高压下快速开启，无需放电电极，使用寿命长，体积小，价格低，有望取代高压离子闸管、点火管、火花间隙开关或真空开关。

该器件独特的构造和工艺特点是：门-阴极周界很长并构成高度交织的构造，门极面积占芯片总面积的90%，而阴极面积仅占10%；基区空穴-电子寿命很长，门-阴极之间的水平距离小于一个扩散长度。上述两个构造特点确保了该器件在开通霎时，阴极面积能得到100%的应用。此外，该器件的阴极电极采用较厚的金属层，可承受瞬时峰值电流。

8.新型GTO集成门极换流晶闸管

当前已有两种常规GTO替代品：高功率IGBT模块、新型GTO派生器-集成门极交流IGCT晶闸管。IGCT晶闸管是一种新型的大功率器件GTO与晶闸管相比，晶闸管具有可靠关闭、储存时间长、开启能力强、关闭门极电荷少、应用系统（包括阳极电抗器、缓冲电容器等包括阳极电抗器、缓冲电容器等

9．高功率沟槽栅构造IGBT(Trench IGBT) 模块

当今高功率IGBT模块中的IGBT元胞通常采用沟槽栅结构IGBT。与平面栅结构相比，沟槽栅结构通常采用1μm加工精度大大提高了元胞密度。由于门极沟的存在，消除了平面格栅结构装置中相邻元胞之间形成的结型场效应晶体管效应，并引入了一定的电子注入效应，降低了导电阻。为增加长基区厚度和设备耐压性创造了条件。因此，近年来出现了高耐压高电流IGBT所有设备都采用这种结构。

1996年日本三菱和日立公司分别研制成功3.3kV/1.2kA 宏大容量的IGBT常规模块GTO相比之下，开关时间缩短了20%，栅极驱动功率仅为GTO1/1000kA/二.5kV平板型IGBT，由于集电和发射结的使用GTO类似的平板压接结构芯片两端散热效率更高。特别有意义的是，避免了大电流IGBT模块内的大量电极导线提高了可靠性，降低了导线电感。缺点是芯片面积利用率下降。因此，该平板压接结构的高压大电流IGBT模块也有望成为高功率高压变流器的首选功率器件。

十.电子注入增强栅晶体管IEGT(Injection Enhanced Gate Trangistor)

日本东芝公司近年来发展起来IEGT，与IGBT同样，它也分为两种结构：平面栅和沟槽栅。前者的产品即将出现，后者仍在开发中。IEGT兼有IGBT和GTO两者的一些优点：饱和压降低低，安全工作区域宽（吸收回路容量仅为GTO1/10左右)，低栅极驱动功率(比例GTO低2个数量级）和较高的工作频次。加之该器件采用了平板压接式电极引出构造，可望有较高的可靠性。

　　与IGBT相比，IEGT构造的主要特点是栅极长度Lg较长，N长基区近栅极侧的横向电阻值较高，因此从集电极注入N长基区的空穴，不像在IGBT中那样，顺利地横向通过P区流入发射极，而是在该区域构成一层空穴积攒层。为了保持该区域的电中性，发射极必需通过N沟道向N长基区注入大量的电子。这样就使N长基区发射极侧也构成了高浓度载流子积攒，在N长基区中构成与GTO中类似的载流子分布，从而较好地攻克了大电流、高耐压的矛盾。目前该器件已到达四.5kV /1kA的水平。

　　11.MOS门控晶闸管

　　MOS门极控制晶闸管充分地利用晶闸管优秀的通态特性、良好的开通和关断特性，可望具有良好的自关断动态特性、非常低的通态电压降和耐高压，成为将来在电力装置和电力系统中有开展前途的高压大功率器件。目前世界上有十几家公司在积极开展对MCT的钻研。MOS门控晶闸管主要有三种构造：MOS场控晶闸管（MCT）、基极电阻控制晶闸管(BRT)及射极开关晶闸管(EST)。其中EST可能是 MOS门控晶闸管中最有希望的一种构造。但是，这种器件要真正成为商业化的实用器件，到达取代GTO的水平，还须要相当长的一段时长。

　　12.砷化镓二极管

随着变换器开关频次的不断提高，对快恢复二极管的要求也随之提高。众所周知，具有比硅二极管优越的高频开关特性，但是由于工艺技术等方面的理由，砷化镓二极管的耐压较低，现实中应用受到局限。为适应高压、高速、高效率和低EMI应用须要，高压砷化镓高频整流二极管已在Motorola 公司研制成功。与硅快恢复二极管相比，这种新型二极管的显著特点是：反向漏电流随温度鄙黉化小、开关损耗低、反向恢复特性好。

　　13.碳化硅与碳化硅 ( SiC ) 功率器件

　　在用新型半导体素材制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅 ( SiC ) 功率器件。它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级，碳化硅与其他半导体素材相比，具有下列优异的物理特点: 高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率。上述这些优异的物理特性，决定了碳化硅在高温、高频次、高功率的应用场合是极为理想的半导体素材。在同样的耐压和电流条件下，SiC器件的漂移区电阻要比硅低200倍，即便高耐压的 SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低得多。而且，SiC器件的开关时长可达10nS量级，并具有十分优越的 FBSOA。

SiC能够拿来制造射频和微波功率器件，各种高频整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。SiC高频功率器件已在Motorola公司研发成功，并应用于微波和射频装置。GE公司正在开发SiC功率器件和高温器件(包含用于喷气式引擎的传感器)。西屋公司已经制造出了在26GHz频次下工作的甚高频的MESFET。ABB公司正在研制高功率、高电压的SiC整流器和其他SiC低频功率器件，用于工业和电力系统。

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