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半导体功率开关器件的技术发展

在半导体功率开关器件中,晶闸管(Thyristor,也可称为可控硅SCR)是目前具有最高耐压容量与最大电流容量的器件。其最大电流额定值为8000A,电压额定值可达12kV。国外目前已能在100mm直径的硅片上工业化生产8kV/4000A的晶闸管。此外,光控晶闸管的额定值可达8kV/4000A,快速晶闸管的额定值为2kV/800A,最高频率为20kHz。但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。因此,自20世纪80年代以来,一种通过门极控制其导通和关断的晶闸管———门极关断晶闸管GTO得到迅速发展。目前,日本三菱电机公司、瑞典ABB等多家厂商能在6英寸硅片上生产6kV/6kA、频率为1kHz的GTO,研制水平已达8kV/8kA。但GTO仍然有着复杂的门极驱动电路、低耐量的di/dt和du/dt以及小的安全工作区(SafeOperatingAreasoa),在工作时需要一个庞大的吸收(Snubber)电路。针对GTO的上述缺陷,在充分发挥GTO高压大电流下单芯片工作和低导通损耗的基础上,开发研制三种MOS栅控制且具有硬关断(HardSwitching)能力的新型大功率半导体器件。一是瑞典ABB公司和日本三菱电机公司提出的集成栅换流晶闸管(ABB称之为IntegratedGateCommutatedThyristor———IGCT,日本三菱电机称之为GateCommutatedTurnoffThyristorgct);二是美国硅功率公司(SiliconPowerCorp———SPCO)提出的MOS关断晶闸管(MOSTurnoffThyristormto);三是由美国CPES黄勤教授提出的发射极关断晶闸管(EmitterTurnoffThyristoreto)。它们在20世纪90年代相继问世,其中前两种已走向市场。

大功率晶体管(GTR)是20世纪70年代发展起来的一种电流控制双极型功率半导体开关器件,常用的有单管、达林顿管和模块三大系列,现有的水平为1800V/800A/2kHz、1400V/600A/5kHz和600V/3A/100kHz。GTR既具有双极型晶体管的工作特性,又增大了功率容量,曾在开关电源中等频率、中等功率容量的电路中广泛应用。但由于存在双极型晶体管固有的二次击穿、安全工作区受各项参数影响而变化、热容量小、过流能力低等缺点,GTR逐渐被功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)所取代。由于GTR、GTO等双极型全控器件必须提供较大的控制电流,使门极控制电路非常庞大,功率变换系统的体积和重量增大,效率降低。随着新型功率MOS器件的发展,MOS型功率器件及以其为基础的新型压控型功率器件在电力电子装置中获得了广泛应用。功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管等均是电压控制型器件。可用一些专用的高压集成电路进行控制,甚至可以把功率器件和控制、自保护电路等做在一个芯片上,大大促进了高压集成电路和智能功率集成电路(SPIC)的发展,使电力电子技术产生了新的飞跃,促进了电力电子系统向智能化、小型化和高性能方向发展。

多子导电的功率MOSFET显著地减小了开关时间。因而很容易达到100kHz的开关频率,冲破了电力电子系统中20kHz这一长期被认为是不可逾越的障碍。商品化的功率MOSFET已达到60V/200A/2MHz和500V/50A/100kHz的水平。功率MOSFET是低压(<100V)范围内最好的功率开关器件。但在高压应用时,其最大缺点是导通电阻随耐压的25次方急剧上升,给高压功率MOSFET的应用带来了很大困难。近几年,人们为提高其耐压、降低其导通电阻进行了大量研究,利用SPACER技术研制的小单元尺寸第五代功率MOSFET和槽栅(TMOS、RMOS、UMOS)功率MOSFET均工业化生产,IR公司生产的功率MOSFET元胞密度已到达每平方寸112亿个,IRF1704的最高工作温度已高达200℃。目前,功率MOSFET的研制水平为1000V/65A,模块为600V/160A。在功率MOSFET领域,一种基于陈星弼院士专利,打破了传统功率MOSFET理论极限,被国际上盛誉为功率MOSFET领域里程碑的新型功率MOSFETCOOIMOS于1998年问世并很快走向市场。COOIMOS由于采用新的耐压层(CB)结构(又称为SuperJunction结构或者称为MultIResurf结
构),在几乎保持功率MOSFET所有优点的同时,又有着极低的导通损耗。但受工艺限制。目前,市场上COOIMOS产品最大功率容量只有1000V/20A。人们相信,随着COOIMOS功率容量的增加,高频、高压、大电流功率半导体开关器件的实现,必将给电力电子产品带来一场新的变革。

IGBT既有功率MOSFET高输入阻抗、快速开启、驱动电路简单和所需驱动功率小等优点,又具有功率晶体管漂移区电导调制、导通损耗低的特点,且较功率MOSFET有着更大的电流密度、更高密度功率容量和较功率晶体管更高的开关频率、更宽的安全工作区。这些优势使IGBT在600V以上中等电压范围内成为主流的功率器件,且正逐渐向高压大电流领域发展。在器件研究方面,研究人员着重对IGBT正向导通时漂移区少数载流子浓度与分布控制的所谓“集电极工程”与IGBT压接式封装方面进行研究。在高压IGBT的器件研究中,一种具有类似功率PIN二极管漂移区浓度分布的注入增强型IGBTIEGT已研制成功。IEGT通过发射极侧的注入增强(IE)效应,大大降低了高压IGBT的导通损耗,通过局域寿命控制技术或(和)透明集电极技术,控制集电极侧的载流子浓度,减弱了IGBT关断电流尾。

IGBT的未来发展趋势有两个方向:一个是超大功率IGBT模块;另一个是超快速IGBT。由于IGBT较功率MOSFET有着更大的电流密度(同等输出功率的IGBT与功率MOS相比,前者的芯片面积只有后者的40%),且IGBT内部没有寄生的反向二极管,这使得IGBT的效率更高、应用更灵活。在中等电压(370~600V)范围内,IGBT已应用到了150~180kHz的频率范围(如美国INTERSIL公司的SMPSIGBT系列和IR公司的WARPSPEEDTMIGBT系列)。

宽禁带半导体器件,特别是SIC半导体器件被视为下一代的半导体功率器件,各种SiC功率开关器件(如MOSFET、MESFET、IGBT、SIT、GTO、BJT等)相继研制成功。虽然近几年SiC功率开关器件取得了长足进步,但离大规模商业化仍还有一段距离。


本文节选自《开关电源实用技术》,由镭之源光纤激光器电源收集整理
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