功率半導體器件的研究意義在哪裡

來源：電子發燒友

作者：電子魔法師

功率半導體器件分類

按照電力電子器件能夠被控制電路信號所控制的程度分類：

1.半控型器件，例如晶閘管；

2.全控型器件，例如GTO（門極可關斷晶閘管）、GTR（電力晶體管），PowerMOSFET（電力場效應晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）；

3.不可控器件，例如電力二極體；

按照驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質分類：

1.電壓驅動型器件，例如IGBT、PowerMOSFET、SITH（靜電感應晶閘管）；

2.電流驅動型器件，例如晶閘管、GTO、GTR；

根據驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間的有效信號波形分類：

1.脈衝觸髮型，例如晶閘管、GTO；

2.電子控制型，例如GTR、PowerMOSFET、IGBT；

按照電力電子器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分類：

1.雙極型器件，例如電力二極體、晶閘管、GTO、GTR；

2.單極型器件，例如PowerMOSFET、SIT、肖特基勢壘二極體；

3.複合型器件，例如MCT（MOS控制晶閘管）、IGBT、SITH和IGCT。

大功率半導體器件的發展

分立功率器件按照功率的大小劃分為大功率半導體器件和中小功率半導體器件。具體來說，大功率晶閘管專指承受電流值在200A以上的晶閘管產品;大功率模塊則指承受電流25A以上的模塊產品;大功率IGBT、MOSFET指電流超過50A以上的IGBT、MOSFET產品。

1956年美國貝爾實驗室（BellLab）發明了晶閘管，國際上，70年代各種類型的晶閘管有了很大發展，80年代開始加快發展大功率模塊，同時各種大功率半導體器件在歐美日有很大的發展，90年代IGBT等全控型器件研製成功並開始得到應用。

在國內，60年代晶閘管研究開始起步，70年代研製出大功率的晶閘管，80年代以來，大功率晶閘管在中國得到很大發展，同時開始研製模塊;本世紀以來，開始少量引進超大功率晶閘管（含光控晶閘管）技術;近年來國家正在逐步引進IGBT、MOSFET技術。中國宏觀經濟的不斷成長，帶動了大功率半導體器件技術的發展和應用的不斷深入。

晶閘管、模塊、IGBT的發明和發展順應了電力電子技術發展的不同需要，是功率半導體發展歷程中不同時段的重要標誌產品，他們的應用領域、應用場合大部分不相同，小部分有交叉。

高電壓、大電流、高頻化、模塊化、智能化的方向發展。在10Khz以下、大功率、高電壓的場合，大功率晶閘管和模塊具有很強的抗衝擊能力及高可靠性而佔據優勢，同時又因成本較低、應用簡單而易於普及。在10Khz以上、中低功率場合，IGBT、MOSFET以其全控性、適用頻率高而佔據優勢。

國內外功率半導體器件的發展

在特高壓直流輸電技術需求的驅動下，我國以晶閘管為代表的半控型器件技術已經成熟，水平居世界前列，6英寸的晶閘管已廣泛用於高壓直流輸電系統，並打入國際市場，形成了國際競爭力。

硅基IGBT器件

國際上，2500V以上大功率IGBT主要供貨商有英飛凌、ABB、三菱和東芝。ABB致力於器件開發、裝置研製及工程應用，焊接型IGBT已有6500V/750A、3300V/1500A和1700V/3600A系列;壓接型IGBT已有4500V/2000A、4500V/3000A系列，4500V/2000A已有工程應用，4500V/3000A仍處於試用與推廣階段。東芝的壓接型IGBT採用圓形陶瓷管殼封裝，主要有4500V/1500A和4500V/2100A系列，4500V/1500A在南澳柔性直流工程有應用。

國內，研究機構與國內的晶元代工廠合作開發出3300V~6500V系列IGBT和FRD晶元。有一兩家企業已獨立開發出3300V/1200A，3300V/1500A，4500V/1200A系列焊接型IGBT產品並已得到不同程度的批量應用，目前正開發3300~4500V/2000~3000A壓接型IGBT。

總體來看，以ABB為代表的國際大公司在高壓大功率IGBT方面一直處於引領者的地位，其器件技術水平比國內要領先一代左右，在市場佔有方面處於壟斷地位。而國內功率半導體研發製造企業只在一些單項技術方面取得了突破，尚未實現全產業鏈的整體突破，尚不具備與國外大公司相抗衡的能力。

SiC器件

與傳統硅器件相比，SiC器件有著更加優良的綜合性能，如高電壓、高結溫等。20世紀90年代，美國、日本和德國就開始對SiC材料和功率器件相關技術進行研究，各種SiC功率器件相繼問世。在SiC材料方面，SiC材料微孔問題已得到解決，SiC襯底材料已由4英寸逐漸過渡到6英寸。在SiC器件方面，國外SiC中低壓器件已實現產品化，高壓器件還處於樣品研發與試用階段。CREE和ROHM已推出1.2kV/300A全SiC模塊產品，三菱公司研發出1.7kV/1200A混合模塊和3.3kV/1500A全SiC功率模塊樣品。在SiC器件高壓應用方面，CREE、POWEREX和GE聯合研製一台基於SiC-MOSFET的容量為1MVA、開關頻率達20kHz的單相電力電子變壓器。

國內在SiC材料方面，已研製出6英寸SiC襯底樣品;外延方面，4~6英寸外延材料已初步形成產品;SiC器件方面，已研製出1.2kV/200A半橋結構的全SiC功率模塊，3.3kV/600A混合模塊樣品;SiC器件高壓應用方面，已研製出基於SiCMOSFET的200kVA換流器樣機。

在SiC器件領域，國外大公司仍是行業主導，在中低壓中小功率SiC器件方面已形成完整產業鏈，出貨量呈倍增態勢，正在步入成熟期。國內現階段基本以研究為主，集中於SiC技術鏈條中的個別點上進行攻關，總體看綜合實力不強，在材料和外延方面尚存在短板，與國際先進水平還有一定差距。

功率半導體器件的研究意義

功率半導體器件是電力電子技術及其應用裝置的基礎，是推動電力電子變換器發展的主要源泉。功率半導體器件處於現代電力電子變換器的心臟地位，它對裝置的可靠性、成本和性能起著十分重要的作用。40年來，普通晶閘管（Thyristor，SCR）、門極關斷晶閘管（GTO）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）先後成為功率半導體器件的發展平台。能稱為「平台」者，一般是因為它們具備以下幾個特點：長壽性，即產品生命周期長；滲透性，即應用領域寬；派生性，即可以派生出多個相關新器件家屬。

電力電子變換器的功率等級覆蓋範圍非常廣泛，包括小功率範圍（幾W到幾kW），如筆記本電腦、冰箱、洗衣機、空調等；中功率範圍（10kW到幾MW），如電氣傳動、新能源發電等；大功率範圍（高達幾GW），如高壓直流（HVDC）輸電系統等。

電力電子變換器的應用領域越來越廣泛，同時也對功率半導體器件提出了更高的性能需求。繼前些年推出集成門極晶閘管（IGCT）和電子注入增強型柵極晶體管（IEGT）後，如今採用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）材料的新型功率器件已經應運而生。目前，功率半導體的發展主要是其功率承受能力和開關頻率之間的矛盾，往往功率越大，耐壓越高，允許的開關頻率就越低。從功率半導體器件的個體來說，大功率和高頻化仍是現階段發展的兩個重要方向。

功率半導體器件應用需要考慮大功率電路應用的特性，如絕緣、大電流能力等，在實際應用中，以動態的「開」和「關」為運行特徵，一般不運行在放大狀態。由功率半導體器件構成的電力電子變換器實施的是電磁能量轉換，而不是單純的開/關狀態，它的很多非理想應用特性在電力電子變換器中起著舉足輕重的作用。要用好功率半導體器件，既要熟悉電力電子變換器的拓撲，更要充分掌握器件本身的特性。

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