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一文看懂|半导体功率器件的组成和应用?
时间: 2024-06-27 15:32:43
作者: fun88体育官网登录入口
电力电子器件又称为功率半导体器件,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,电压为数百伏以上)电子器件。
MCT是一种新型MOS与双极复合型器件。MCT是将MOSFET的高阻抗、低驱动下MCT的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起,形成大功率、高压、快速全控型器件。实质上MCT是一个MOS门极控制的晶闸管。它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断,它由无数单胞并联而成。
· 电压高、电流容量大,阻断电压已达3000V,峰值电流达1000A,最大可关断电流密度为6000kA/m2;
· 开关速度快,开关损耗小,开通时间约200ns,1000V器件可在2s内关断。
IGCT是在晶闸管技术的基础上结合IGBT和GTO等技术开发的新型器件,适用于高压大容量变频系统中,是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。
IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起,再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接,结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。在导通阶段发挥晶闸管的性能,关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT芯片在不串不并的情况下,二电平逆变器功率0.5~3MW,三电平逆变器1~6MW;若反向二极管分离,不与IGCT集成在一起,二电平逆变器功率可扩至4/5MW,三电平扩至9MW。
IEGT是耐压达4kV以上的IGBT系列电力电子器件,通过采取增强注入的结构实现了低通态电压,使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前途,具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点,以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性,使其在逐步扩大电流容量方面颇具潜力。
IPEM是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。IPEM实现了电力电子技术的智能化和模块化,大幅度的降低了电路接线电感、系统噪声和寄生振荡,提高了系统效率及可靠性。
电力电子积木PEBB(Power Electric Building Block)是在IPEM的基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。虽然它看上去很像功率半导体模块,但PEBB除了包括功率半导体器件外,还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。多个PEBB模块一起工作能够实现电压转换、能量的储存和转换、阴抗匹配等系统级功能,PEBB最重要的特点是其通用性。
晶闸管(SCR)自问世以来,其功率容量提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产8kV/4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV/4kA和6kV/6kA的光触发晶闸管(LTT),美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。预计在今后若干年内,晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。
该器件非常适合于传送极强的峰值功率(数MW)、极短的维持的时间(数ns)的放电闭合开关应用场合,如:激光器、高强度照明、放电点火、电磁发射器和雷达调制器等。该器件能在数kV的高压下快速开通,不需要放电电极,具有很长的常规使用的寿命,体积小、价格相对较低,可望取代目前尚在应用的高压离子闸流管、引燃管、火花间隙开关或线、新型GTO器件-集成门极换流晶闸管
当前已有两种常规GTO的替代品:高功率的IGBT模块、新型GTO派生器件-集成门极换流IGCT晶闸管。
当今高功率IGBT模块中的IGBT元胞通常多采用沟槽栅结构IGBT。与平面栅结构相比,沟槽栅结构一般会用1μm加工精度,从而大幅度的提升了元胞密度。
与IGBT一样,它也分平面栅和沟槽栅两种结构,前者的产品即将问世,后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO两者的某些优点:低的饱和压降,宽的安全工作区(吸收回路容量仅为GTO的1/10左右),低的栅极驱动功率(比GTO低2个数量级)和较高的工作频率。加之该器件采用了平板压接式电极引出结构,可望有较高的可靠性。
MOS门极控制晶闸管充分地利用晶闸管良好的通态特性、优良的开通和关断特性,可望具有优良的自关断动态特性、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发展前途的高压大功率器件
与硅快恢复二极管相比,这种新型二极管的显著特点是:反向漏电流随气温变化小、开关损耗低、反向恢复特性好。
在用新型半导体材料制造成的功率器件中,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材料相比,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。而且,SiC器件的开关时间可达10nS量级,并具有十分优越的FBSOA。
概括来说,功率半导体器件主要有功率模组、功率集成电路(即Power IC,简写为PIC,又称为功率IC)和分立器件三大类;其中,功率模组是将多个分立功率半导体器件进行模块化封装;功率IC对应将分立功率半导体器件与驱动/控制/保护/接口/监测等外围电路集成;而分立功率半导体器件则是功率模块与功率IC的关键。
目前,国际电力电子市场以年均15%的速度增长,电力电子器件的主要供应商集中在美国、日本以及欧洲,以硅基功率MOSFET和IGBT为代表的场控型器件占据国际市场的主导地位,其中IGBT更是有高达30%的年均增长率。而SiC和GaN等新型材料电力电子器件,受到时间、技术成熟度和成本的制约,尚处于市场开拓初期,但前景不可小觑。
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