电力半导体器件的发展与应用

电力半导体器件的发展与应用

1电力半导体器件电力电子技术是基于各种能源半导器器的现代电子行业技术的基础。电力半导体器件的飞速发展大大拓宽了电力电子技术的应用范围。目前电力半导体器件正向大容量、高频率和智能化等方向发展。电力半导体器件按工作方式可分两类,其中一类是传统的双极型器件,它是电流控制型器件,包括晶闸管(SCR)、GTO、GTR等,其特点是由门极电流来驱动器件,另一类是新型的电压控制型器件,包括功率MOSFET、IGBT、MCT等,其特点是栅极为绝缘体,只需很小的栅电流便可驱动器件。下面对这两类电力半导体器件发展概况及国内发展分别说明。2传统双极板电源设备的发展2.1光控晶闸管的额定值于1957年问世,属于半导体电力电子器件第一代产品,是当前具有最高耐压容量与最高电流容量的器件,其最大电流额定值8000A,电压额定值12kV。现在研制的光控晶闸管,其额定值可达8kV/4000A。国外发达国家除大容量的晶闸管和特殊品种外,一般产品已停止生产。由于晶闸管不能用门极控制其关断,需要复杂的辅助换流关断电路,其发展受到一定限制。2.2gto新型电流器是七十年代中期发展起来的,它使半导体电力电子技术进入了自关断阶段,国外产品已达到6kV/6000A/1kHz水平。GTO具有高导通电流密度,高耐压及高阻断dv/dt耐量等特点,因而在大容量变流器中得到广泛的应用。由于它的门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率,以及需要一个庞大的吸收电路,又限制了其应用范围。2.3u3000v/400a/vmhs出现于七十年代,现有产品的水平为1800V/800A/2kHz、1400V/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它在开关电源、电极驱动、通用逆变器等中等频率和中等功率容量的电路中广泛应用。其缺点是存在二次击穿、安全区易受各种参数影响、过流能力低等问题。2.4特性分析与比较是电力半导体器件的重要分支,目前商业化的功率二极管主要是PIN功率二极管和肖特基势垒功率二极管。PIN二极管具有耐高电压、大电流、低泄漏电流和低导通损耗等优点,但电导调制效应在漂移区中产生的大量少数载流子降低了开关速度,限制了电力电子系统向高频化方向发展。肖特基势垒功率二极管具有多数载流子特性,有着极高的开关频率,但其串联的漂移区电阻与器件耐压成2.5次方的矛盾的关系,阻碍了肖特基势垒功率二极管的高压大电流的应用,而且其极差的高温特性,大的泄漏电流和软击穿特性,使得硅肖特基势垒功率二极管通常只工作在200V以下的范围内。现在正在开发新型硅基二极管,它结合PN结的低导通损耗,优良的阻断特性和肖特基势垒二极管高频率特性两者优点于一体。这些新器件包括JBS、MPS、TMBS、TMPS等,逐步走向成熟。3控制器件在电力电子装置中的应用随着八十年代MOS器件的发展,MOS型功率器件及以此为基础的电压控制器件在电力电子装置中获得了很大发展和广泛的应用。九十年代,新型压控电力电子器件发展很快,并成为第三代高压大电流、高速高频、集成化的电力电子器件,它们包括功率MOSFET、IGBT和MCT。3.1功率mos海滩3.2igdt双极绝波管3.2.1低功率igdt3.2.2u沟结构igdt3.3.3ept无感染igdt3.2.4SDBIGBT3.2.5超快速igt33.2.6igdt-frd3.3igdt用于智能功率模块3.4mct是市场上的一个开发方向。使用mos网格来控制晶界是有效的4新型系统集成器件SiC是宽禁带的半导体(禁带宽2倍于硅或GaAs),可以在600℃环境中工作,可耐几千伏工作电压,至少可在1000A/cm2电流密度下工作,具有非常高的频率特性。最令人惊奇的是它的热导比Al高1倍,比Cu还好。总之SiC器件具有可在高温、高功率、高频和高辐射环境下工作的特点。美、日、英、法、瑞典、俄罗斯都在积极开发SiC材料和器件。SiC研究的关键问题是SiC晶体生长、外延生长SiC薄膜和SiC器件。美国Sullivan&CO公司已成功开发出一种新CVD工艺技术用于淀积B相(3C)多晶SiC的专利,可用于淀积200mm圆晶片的多晶SiC片;该公司已能生产SiC电子器件。日本已拥有生产超纯SiC能力,东芝陶瓷公司已宣布建立了一家试验性工厂,生产半导体SiC。瑞典EpigressAB公司已是SiC反应室的一个主要生产商。美国普杜埃(Purduce)大学电气与计算机工程系的研究人员用SiC研制成功一种新颖的UMOS存储沟道FET(ACCUFET),该FET中断电压为1400V;该大学研究人员用SiC片研制成功一种高频大功率微波装置系统用的SITZS(静电感应晶体管),它的最大漏电压高于250V,可在高于9GHz频率工作,大大超过硅或其他材料的器件工作能力;该大学研究人员采用SiC材料还开发成功一种亚微米T栅MESFETS(金属半导体场效应晶体管),其饱和漏电流密度350mA/mm2,漏极击穿电压120V;用SiC研制的SBDS(肖特基势垒二极管),其中断电压可达4900V,比SiSBDS具有更大的电压和电流,而其生产成本只相当普通Si器件的一半。美国Cree研究有限公司生产的CRE系列SiCFET是B类功率放大器,其中CRF20010型器件在1.95GHz频段的输出功率14W,功率增益11dB时效率达到60%,由于邻近信息功率比很好,作为线性放大器使用的CRF系列,适合在CDMA移动电话基站中使用。世界各国的科研机构和公司还有很多参与和正在参与开发SiC材料、器件及制造设备。5功率器件的生产近年来,国内半导体电力电子器件发展有一定进展,但与国外相比差距仍很大。市场上国内产品仍以晶闸管和GTR为主,第三代电力电子器件如IGBT和功率MOSFET产品还处于起步阶段。表1给出1997年国内各系列半导体电力电子器件产量统计。该数据虽然是几年前的,但现在看来国内的电力电子器件的生产情况的变化并不显著。到现在为止,国内开发的IGBT和功率MOSFET产品仍未上市。据国内58家电力电子器件企业统计,1998年国内37个器件生产厂共生产电力电器件3890.6万只,在这些电力电子器件总产量中,中功率器件仅占1.24%,大功率的占0.03%。说明中大功率器件生产是落后的。图3给出1991～1998年200A以上的晶闸管的产量分类概况,图中显示快速晶闸管增长较快。今后一段时间内,晶闸管和GTR仍会有一定的市场,这是因为它们具有低成本,合适的容量和性能,在国际上有竞争能力。国内IGBT和功率MOSFET的芯片的生产线到现在为止还未建起来。这些器件的加工条件与大规模集成电路是相似的,一条国际水平的芯片生产线需要数亿美元,国内还未掌握生产技术和市场,这就是芯片生产线未建成的原因。国内有些企业引进IGBT和功率MOSFET的芯片,国内封装。在IGBT和功率MOSFET开发方面,国内一些高等院校和科研院所做了不少的工作,取得了成绩。成都电子科技大学在功率MOSFET研究方面取得突出成果,他们打破了传统功率MOSFET理论极限,提出CoolMOS新型功率MOSFET理论,受到国际上重视。一些科研院所设计定型数种功率MOSFET和IGBT产品。这都将为今后国内生产这些器件打下基础。6igbt功率功率开关现代半导体电力电子器件越来越广泛地应用于通信、自动控制等各个领域,而国内目前的生产规模显然满足不了需要,因此需要大力发展新型半导体电力电子器件,同时也需要继续发展传统半导体电力电子器件产业。因此,在未来几年内,国内应建立一批IGBT、功率MOSFET大型生产企业。除国外独资企业外,还应建立自己的半导体电力电子器件研发和生产企业。国内应积极发展双极型半导体电力电子器件。虽然新型压控电力电子器件的市场占有率逐年增加,但电力电子器件应用广泛,双极型电力电子器件成本低,在大容量器件方面占有一定优势。双极型半导体电力电子器件在相当长的时间内仍然会占有一定的市场份额。国内现有20多条生产集成电路的芯片生产线有一些可以生产晶闸管、GTO、GTR中的高档产品,为国内批量生产高档传统双极型电力电子器提供了有利条件。国际上发达国家已不生产一般晶闸管、双极分立器件产品,减少了该领域的竞争对手,为在国内大力发展双极型半导体电力电子器件提供了机会。是多子导电的功率MOSFET,其结构较复杂。该器件显著减小了开关时间,很容易达到100kHz,冲破了电力电子装置中20kHz的长期障碍,目前的产品已达到60V/200A/2MHz和500V/50A/100kHz。功率MOSFET是低电压(<100V)范围内最好的功率开关器件,但在高电压时其最大缺点是导通电阻随耐压的2.5次方急剧上升,给高功率应用带来很大的困难。八十年代开发出VVMOS(V型槽结构)、VDMOS(垂直双扩散结构)、DMOS(双扩散结构),才使其从中小功率向大功率扩展,各大公司相继投产高耐压、大电流、开关速度快的高功率MOSFET,一举打破了双极型功率器件独占市场的局面。九十年代末期功率MOSFET产业界纷纷将开发能力转向采用1μm工艺的沟槽栅(Trenchgate)MOSFET研制,不断推出新产品扩大市场。1998年国际整流器公司宣布用于开关电源的功率MOSFET,其结构采用CoolMOS工艺技术,其晶体管性能比当时现有的器件高5倍。CoolMOSMOSFET结构如图1所示。沟槽结构功率FET缩小了器件元胞体积,增强了器件的雪崩击穿能力,有效地减小了导通电阻,降低了驱动电压。这类器件现在广泛应用于各种移动信息终端和电源电路中。现在沟槽结构功率MOSFET的产品型号规格超过100种,漏源额定电压为2.5、55、100、150、200V,其低导通电阻最小分别为3.5、5.8、9、20、40mΩ。生产该种产品的厂家包括:飞利浦、英特西尔、TEMIC半导体、硅电子器件、快捷半导体、通用半导体、三菱电机、日立、APT、国际整流器公司、IR公司、摩托罗拉等。是将MOSFET与双极晶体管结合在一起的新型器件。它是RCA公司和GE公司1982年发明的。经过工艺上不断改进与技术创新已经发展到第四代,第五代正在研发中。IGBT具有双极结型晶体管与MOSFET双方的优点,具有开关速度快、功耗小、电流密度高、耐电压高等优点,是一种有发展前途的电力电子器件。市售IGBT系列产品耐压与电流容量为600～1200V/8～600A;实验室研制水平是1600V/1200A,2800V/100A。IGBT是第三代电力电子器件的主流产品,各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠、低成本技术等,当前采用1μm以下加工工艺研制开发取得了如下一些新进展。应用范围在600V、10A、1kHz。主要适用于家电行业的微波炉、洗衣机、电磁灶、电子镇流器、照相机等。它是在管芯上刻槽,芯片元胞内形成沟槽式栅极,进一步缩小元胞尺寸,减小沟道电阻,提高电流密度,因而相同额定电流器件芯片其尺寸最小。该种IGBT适于低电压驱动。该器件采用薄硅片技术,以离子注入发射区替代高复杂、高成本的厚的高阻外延层,可降低成本25%左右,耐压越高成本差越大。此种IGBT性能上更具特色,高速、低损耗、正温系数、无锁定效应。西门子可提供600V、1200V、1700V和6500V系列产品;而且还推出低饱和压降DLC型的NPT—IGBT产品。世界主要半导体公司也都在开发或生产NPT—IGBT,NPT型IGBT已成为发展方向。是硅片直接键合技术制造的IGBT产品,其特点为高速,低饱和压降,低拖尾电流,正温度系数,易于并联,在600V和1200V电压范围内性能优良。是国际整流器公司开发的新产品,重点在于减少IGBT的拖尾效应,使其快速关断,关断时间不超过200ns,如采用特殊高能辐射分层技术,关断时间可在100ns,可用在大功率电源或变换器、电机控制等。是IR公司在IGBT基础上结合FRD(快速恢复二极管)的一种新型器件。IGBT与FRD结合使接通与转换状态的损耗减少20%。现有1200V/25、50、75、100A系列产品,用于电机驱动和功率变换。该类器件便于并联,在多芯片模块中可实现更平均的温变,提高整体可靠性。随着MOS栅功率器件的发展,在电力电子系统中的栅驱动电路大大简化,因而IGBT—IPM(以绝缘栅双极型晶体管为基体的智能型功率模块)得到迅速发展。IGBT—IPM内含接口、传感、保护和功率控制等功能电路。IGBT—IPM主要向两个方向发展:第一个方向是大功率、高性能领域,目前产品水平为1200～1800A/1800～3300V。大功率领域将来可扩大到现有的大容量高压半导体器件的范围,如GTO或晶闸管的水平。600A/2000V的IPM