功率半導(dǎo)體器件簡介
電力電子器件（Power Electronic Device），又稱為功率半導(dǎo)體器件，用于電能變換和電能控制電路中的大功率(通常指電流為數(shù)十至數(shù)千安，電壓為數(shù)百伏以上)電子器件。可以分為半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶閘管為半控型器件，承受電壓和電流容量在所有器件中最高；電力二極管為不可控器件，結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠；還可以分為電壓驅(qū)動(dòng)型器件和電流驅(qū)動(dòng)型器件，其中GTO、GTR為電流驅(qū)動(dòng)型器件，IGBT、電力MOSFET為電壓驅(qū)動(dòng)型器件。
功率半導(dǎo)體器件是集成電路一個(gè)非常重要的組成部分，市場空間有400多億美元，從大方面講有200多億美元是功率IC，還有100多億是功率器件。手機(jī)充電器，手機(jī)當(dāng)中都會(huì)有功率器件。功率器件主要的部分，體量比較大的是IGBT。把IGBT、VDMOS做好，就是一個(gè)很好的硬件廠商。IGBT模塊是雙子器件，它的特點(diǎn)是頻率低一點(diǎn)，但是能量密度稍微大一點(diǎn)。所以像在新能源汽車，軌道交通應(yīng)用得更廣泛。
功率半導(dǎo)體器件優(yōu)缺點(diǎn)
電力二極管：結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠；
晶閘管：承受電壓和電流容量在所有器件中最高
IGBT：開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小；缺點(diǎn)：開關(guān)速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及GTO
GTR：耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低；缺點(diǎn)：開關(guān)速度低，為電流驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，存在二次擊穿問題
GTO：電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)；缺點(diǎn)：電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低
電力MOSFET：開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題；缺點(diǎn)：電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。
制約因素：耐壓，電流容量，開關(guān)的速度
常用功率半導(dǎo)體器件匯總
1.MCT(MOSControlledThyristor)：MOS控制晶閘管
MCT的等效電路圖
MCT是一種新型MOS與雙極復(fù)合型器件。如上圖所示。MCT是將MOSFET的高阻抗、低驅(qū)動(dòng)圖MCT的功率、快開關(guān)速度的特性與晶閘管的高壓、大電流特型結(jié)合在一起，形成大功率、高壓、快速全控型器件。實(shí)質(zhì)上MCT是一個(gè)MOS門極控制的晶閘管。它可在門極上加一窄脈沖使其導(dǎo)通或關(guān)斷，它由無數(shù)單胞并聯(lián)而成。它與GTR，MOSFET，IGBT，GTO等器件相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)電壓高、電流容量大，阻斷電壓已達(dá)3000V，峰值電流達(dá)1000A，最大可關(guān)斷電流密度為6000kA/m2；
(2)通態(tài)壓降小、損耗小，通態(tài)壓降約為11V；
(3)極高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已達(dá)20kV/s，di/dt為2kA/s；
(4)開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小，開通時(shí)間約200ns，1000V器件可在2s內(nèi)關(guān)斷；
2.IGCT(IntergratedGateCommutatedThyristors)
IGCT是在晶閘管技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合IGBT和GTO等技術(shù)開發(fā)的新型器件，適用于高壓大容量變頻系統(tǒng)中，是一種用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導(dǎo)體器件。
IGCT是將GTO芯片與反并聯(lián)二極管和門極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，再與其門極驅(qū)動(dòng)器在外圍以低電感方式連接，結(jié)合了晶體管的穩(wěn)定關(guān)斷能力和晶閘管低通態(tài)損耗的優(yōu)點(diǎn)。在導(dǎo)通階段發(fā)揮晶閘管的性能，關(guān)斷階段呈現(xiàn)晶體管的特性。IGCT芯片在不串不并的情況下，二電平逆變器功率0.5~3MW，三電平逆變器1~6MW；若反向二極管分離，不與IGCT集成在一起，二電平逆變器功率可擴(kuò)至4/5MW，三電平擴(kuò)至9MW。
3.IEGT(InjectionEnhancedGateTransistor)電子注入增強(qiáng)柵晶體管
IEGT是耐壓達(dá)4kV以上的IGBT系列電力電子器件，通過采取增強(qiáng)注入的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了低通態(tài)電壓，使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發(fā)展。IEGT具有作為MOS系列電力電子器件的潛在發(fā)展前景，具有低損耗、高速動(dòng)作、高耐壓、有源柵驅(qū)動(dòng)智能化等特點(diǎn)，以及采用溝槽結(jié)構(gòu)和多芯片并聯(lián)而自均流的特性，使其在進(jìn)一步擴(kuò)大電流容量方面頗具潛力。
另外，通過模塊封裝方式還可提供眾多派生產(chǎn)品，在大、中容量變換器應(yīng)用中被寄予厚望。日本東芝開發(fā)的IECT利用了電子注入增強(qiáng)效應(yīng)，使之兼有IGBT和GTO兩者的優(yōu)點(diǎn):低飽和壓降，安全工作區(qū)(吸收回路容量僅為GTO的十分之一左右)，低柵極驅(qū)動(dòng)功率(比GTO低兩個(gè)數(shù)量級(jí))和較高的工作頻率。器件采用平板壓接式電機(jī)引出結(jié)構(gòu)，可靠性高，性能已經(jīng)達(dá)到4.5kV/1500A的水平。
4.IPEM(IntergratedPowerElactronicsModules):集成電力電子模塊
IPEM是將電力電子裝置的諸多器件集成在一起的模塊。它首先是將半導(dǎo)體器件MOSFET，IGBT或MCT與二極管的芯片封裝在一起組成一個(gè)積木單元，然后將這些積木單元迭裝到開孔的高電導(dǎo)率的絕緣陶瓷襯底上，在它的下面依次是銅基板、氧化鈹瓷片和散熱片。在積木單元的上部，則通過表面貼裝將控制電路、門極驅(qū)動(dòng)、電流和溫度傳感器以及保護(hù)電路集成在一個(gè)薄絕緣層上。IPEM實(shí)現(xiàn)了電力電子技術(shù)的智能化和模塊化，大大降低了電路接線電感、系統(tǒng)噪聲和寄生振蕩，提高了系統(tǒng)效率及可靠性。
5.PEBB(PowerElectricBuildingBlock)
電力電子積木PEBB(PowerElectricBuildingBlock)是在IPEM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的可處理電能集成的器件或模塊。PEBB并不是一種特定的半導(dǎo)體器件，它是依照最優(yōu)的電路結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同器件和技術(shù)的集成。典型的PEBB上圖所示。雖然它看起來很像功率半導(dǎo)體模塊，但PEBB除了包括功率半導(dǎo)體器件外，還包括門極驅(qū)動(dòng)電路、電平轉(zhuǎn)換、傳感器、保護(hù)電路、電源和無源器件。
PEBB有能量接口和通訊接口。通過這兩種接口，幾個(gè)PEBB可以組成電力電子系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以像小型的DC-DC轉(zhuǎn)換器一樣簡單，也可以像大型的分布式電力系統(tǒng)那樣復(fù)雜。一個(gè)系統(tǒng)中，PEBB的數(shù)量可以從一個(gè)到任意多個(gè)。多個(gè)PEBB模塊一起工作可以完成電壓轉(zhuǎn)換、能量的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換、陰抗匹配等系統(tǒng)級(jí)功能，PEBB最重要的特點(diǎn)就是其通用性。
6．超大功率晶閘管
晶閘管（SCR）自問世以來，其功率容量提高了近3000倍。現(xiàn)在許多國家已能穩(wěn)定生產(chǎn)8kV/4kA的晶閘管。日本現(xiàn)在已投產(chǎn)8kV/4kA和6kV/6kA的光觸發(fā)晶閘管(LTT)。美國和歐洲主要生產(chǎn)電觸發(fā)晶閘管。近十幾年來，由于自關(guān)斷器件的飛速發(fā)展，晶閘管的應(yīng)用領(lǐng)域有所縮小，但是，由于它的高電壓、大電流特性，它在HVDC、靜止無功補(bǔ)償（SVC）、大功率直流電源及超大功率和高壓變頻調(diào)速應(yīng)用方面仍占有十分重要的地位。預(yù)計(jì)在今后若干年內(nèi)，晶閘管仍將在高電壓、大電流應(yīng)用場合得到繼續(xù)發(fā)展。
現(xiàn)在，許多生產(chǎn)商可提供額定開關(guān)功率36MVA(6kV/6kA)用的高壓大電流GTO。傳統(tǒng)GTO的典型的關(guān)斷增量僅為3～5。GTO關(guān)斷期間的不均勻性引起的“擠流效應(yīng)”使其在關(guān)斷期間dv/dt必須限制在500～1kV/μs。為此，人們不得不使用體積大、昂貴的吸收電路。另外它的門極驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜和要求較大的驅(qū)動(dòng)功率。到目前為止，在高壓（VBR>3.3kV)、大功率（0.5～20MVA）牽引、工業(yè)和電力逆變器中應(yīng)用得最為普遍的是門控功率半導(dǎo)體器件。目前，GTO的最高研究水平為6in、6kV/6kA以及9kV/10kA。為了滿足電力系統(tǒng)對(duì)1GVA以上的三相逆變功率電壓源的需要，近期很有可能開發(fā)出10kA/12kV的GTO，并有可能解決30多個(gè)高壓GTO串聯(lián)的技術(shù)，可望使電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方面再上一個(gè)臺(tái)階。
7.脈沖功率閉合開關(guān)晶閘管
該器件特別適用于傳送極強(qiáng)的峰值功率（數(shù)MW）、極短的持續(xù)時(shí)間（數(shù)ns）的放電閉合開關(guān)應(yīng)用場合，如：激光器、高強(qiáng)度照明、放電點(diǎn)火、電磁發(fā)射器和雷達(dá)調(diào)制器等。該器件能在數(shù)kV的高壓下快速開通，不需要放電電極，具有很長的使用壽命，體積小、價(jià)格比較低，可望取代目前尚在應(yīng)用的高壓離子閘流管、引燃管、火花間隙開關(guān)或真空開關(guān)等。
該器件獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)是：門-陰極周界很長并形成高度交織的結(jié)構(gòu)，門極面積占芯片總面積的90%，而陰極面積僅占10%；基區(qū)空穴-電子壽命很長，門-陰極之間的水平距離小于一個(gè)擴(kuò)散長度。上述兩個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確保了該器件在開通瞬間，陰極面積能得到100%的應(yīng)用。此外，該器件的陰極電極采用較厚的金屬層，可承受瞬時(shí)峰值電流。
8.新型GTO器件-集成門極換流晶閘管
當(dāng)前已有兩種常規(guī)GTO的替代品:高功率的IGBT模塊、新型GTO派生器件-集成門極換流IGCT晶閘管。IGCT晶閘管是一種新型的大功率器件，與常規(guī)GTO晶閘管相比，它具有許多優(yōu)良的特性，例如，不用緩沖電路能實(shí)現(xiàn)可靠關(guān)斷、存貯時(shí)間短、開通能力強(qiáng)、關(guān)斷門極電荷少和應(yīng)用系統(tǒng)（包括所有器件和外圍部件如陽極電抗器和緩沖電容器等）總的功率損耗低等。
9．高功率溝槽柵結(jié)構(gòu)IGBT(TrenchIGBT)模塊
當(dāng)今高功率IGBT模塊中的IGBT元胞通常多采用溝槽柵結(jié)構(gòu)IGBT。與平面柵結(jié)構(gòu)相比，溝槽柵結(jié)構(gòu)通常采用1μm加工精度，從而大大提高了元胞密度。由于門極溝的存在，消除了平面柵結(jié)構(gòu)器件中存在的相鄰元胞之間形成的結(jié)型場效應(yīng)晶體管效應(yīng)，同時(shí)引入了一定的電子注入效應(yīng)，使得導(dǎo)通電阻下降。為增加長基區(qū)厚度、提高器件耐壓創(chuàng)造了條件。所以近幾年來出現(xiàn)的高耐壓大電流IGBT器件均采用這種結(jié)構(gòu)。
10.電子注入增強(qiáng)柵晶體管IEGT(InjecTIonEnhancedGateTrangistor)
近年來，日本東芝公司開發(fā)了IEGT，與IGBT一樣，它也分平面柵和溝槽柵兩種結(jié)構(gòu)，前者的產(chǎn)品即將問世，后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO兩者的某些優(yōu)點(diǎn)：低的飽和壓降，寬的安全工作區(qū)（吸收回路容量僅為GTO的1/10左右)，低的柵極驅(qū)動(dòng)功率（比GTO低2個(gè)數(shù)量級(jí)）和較高的工作頻率。加之該器件采用了平板壓接式電極引出結(jié)構(gòu)，可望有較高的可靠性。
與IGBT相比，IEGT結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是柵極長度Lg較長，N長基區(qū)近柵極側(cè)的橫向電阻值較高，因此從集電極注入N長基區(qū)的空穴，不像在IGBT中那樣，順利地橫向通過P區(qū)流入發(fā)射極，而是在該區(qū)域形成一層空穴積累層。為了保持該區(qū)域的電中性，發(fā)射極必須通過N溝道向N長基區(qū)注入大量的電子。這樣就使N長基區(qū)發(fā)射極側(cè)也形成了高濃度載流子積累，在N長基區(qū)中形成與GTO中類似的載流子分布，從而較好地解決了大電流、高耐壓的矛盾。目前該器件已達(dá)到4.5kV/1kA的水平。
11.MOS門控晶閘管
MOS門極控制晶閘管充分地利用晶閘管良好的通態(tài)特性、優(yōu)良的開通和關(guān)斷特性，可望具有優(yōu)良的自關(guān)斷動(dòng)態(tài)特性、非常低的通態(tài)電壓降和耐高壓，成為將來在電力裝置和電力系統(tǒng)中有發(fā)展前途的高壓大功率器件。目前世界上有十幾家公司在積極開展對(duì)MCT的研究。MOS門控晶閘管主要有三種結(jié)構(gòu)：MOS場控晶閘管（MCT）、基極電阻控制晶閘管(BRT)及射極開關(guān)晶閘管(EST)。其中EST可能是MOS門控晶閘管中最有希望的一種結(jié)構(gòu)。但是，這種器件要真正成為商業(yè)化的實(shí)用器件，達(dá)到取代GTO的水平，還需要相當(dāng)長的一段時(shí)間。
12.砷化鎵二極管
隨著變換器開關(guān)頻率的不斷提高，對(duì)快恢復(fù)二極管的要求也隨之提高。眾所周知，具有比硅二極管優(yōu)越的高頻開關(guān)特性，但是由于工藝技術(shù)等方面的原因，砷化鎵二極管的耐壓較低，實(shí)際應(yīng)用受到局限。為適應(yīng)高壓、高速、高效率和低EMI應(yīng)用需要，高壓砷化鎵高頻整流二極管已在Motorola公司研制成功。與硅快恢復(fù)二極管相比，這種新型二極管的顯著特點(diǎn)是：反向漏電流隨溫度變化小、開關(guān)損耗低、反向恢復(fù)特性好。
在用新型半導(dǎo)體材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅(SiC)功率器件。它的性能指標(biāo)比砷化鎵器件還要高一個(gè)數(shù)量級(jí)，碳化硅與其他半導(dǎo)體材料相比，具有下列優(yōu)異的物理特點(diǎn):高的禁帶寬度，高的飽和電子漂移速度，高的擊穿強(qiáng)度，低的介電常數(shù)和高的熱導(dǎo)率。上述這些優(yōu)異的物理特性，決定了碳化硅在高溫、高頻率、高功率的應(yīng)用場合是極為理想的半導(dǎo)體材料。在同樣的耐壓和電流條件下，SiC器件的漂移區(qū)電阻要比硅低200倍，即使高耐壓的SiC場效應(yīng)管的導(dǎo)通壓降，也比單極型、雙極型硅器件的低得多。而且，SiC器件的開關(guān)時(shí)間可達(dá)10nS量級(jí)，并具有十分優(yōu)越的FBSOA。
SiC可以用來制造射頻和微波功率器件，各種高頻整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。
功率器件的市場
VDMOS在2017年的Yole統(tǒng)計(jì)報(bào)告當(dāng)中，市場空間有60億美元，這里面大部分是40v以下的設(shè)備。從市場份額來看，我們關(guān)心的是汽車電子，不管是增長率和市場份額，都是最大的。其次是計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)，它的市場份額特別大。但是因?yàn)镻C的發(fā)展比較慢，所以它的增長率比較小。另外是網(wǎng)絡(luò)通訊，雖然現(xiàn)在來看市場份額不大，但是增長率很快，基本上和汽車電子一樣。大家知道在通訊行業(yè)我們國家還可以，比如華為和中興在通訊行業(yè)是第一位和第四位，所以伴隨著整機(jī)器件的發(fā)展，國內(nèi)應(yīng)該有很好的發(fā)展。
在2016年的統(tǒng)計(jì)報(bào)告當(dāng)中，關(guān)于功率器件市場份額和一些重要的參與者，實(shí)際上0到40V體量是最大的。因?yàn)橹灰鞘殖制骷駭?shù)碼相機(jī)、手機(jī)這些東西用量非常大，它的市場份額非常高。下面是40V到100V，這個(gè)為什么高呢？是因?yàn)樽龅搅似嚕囯娫词?2V，很多是60到100V之間。大于400V這一部分統(tǒng)稱為高壓器件。誰是重要的參與者呢？從第一到十的排名，基本上沒有中國廠商。客觀來說，數(shù)到十五，中國廠商也很難排進(jìn)去。第一名是很老牌的廠商，之前他的份額沒那么多，三年前他收購了一個(gè)重要的廠商。第二位是On Semi，所以整個(gè)來看，細(xì)分市場里面，歐美日把持了大部分廠家。
從VDMOS再細(xì)分一下，就是汽車電子，這個(gè)市場在2018年是14億美金，增長比例每年逐漸增加的。前十位里面依然沒有中國廠家。另外一個(gè)市場份額比較大的領(lǐng)域，是計(jì)算和存儲(chǔ)市場，2018年的市場份額是14億美元。但因?yàn)镻C發(fā)展緩慢，是一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)。即使這樣，在這個(gè)非常大的市場領(lǐng)域前十名，也仍然沒有中國廠家。嚴(yán)格來說，15位也沒有。我們一直說是中國是制造大國，不是制造強(qiáng)國，因?yàn)樵诟叨酥圃鞓I(yè)當(dāng)中，是找不到中國廠商的。
再看另外一種非常重要的功率器件IGBT。IGBT總體市場是在2018年開始接近50億美元，重要的參與者我們也列了一下。IGBT的電壓非常廣，從400V到6500V都有應(yīng)用，因此很難有廠家獨(dú)吞一個(gè)市場，所以廠家選自己擅長的領(lǐng)域做。這是第一梯隊(duì)、第二梯隊(duì)、第三梯隊(duì)。第一梯隊(duì)仍然是infineon、三菱，軌道交通被ABB壟斷，所以很難見到中國廠商。只是在4500V領(lǐng)域把中車放進(jìn)去了，但嚴(yán)格來說中車沒有大批量量產(chǎn)IGBT。所以整體在IGBT這么大的市場里面，中國的參與度也比較低。
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