常見的功率半導(dǎo)體器件有哪些？

功率半導(dǎo)體是電子裝置中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，主要用于改變電子裝置中電壓和頻率、直流交流轉(zhuǎn)換等。按照分類來看，功率半導(dǎo)體可以分為功率IC和功率分立器件兩大類，其中功率分立器件主要包括二極管、晶閘管、晶體管等產(chǎn)品。

近年來，功率半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域已從工業(yè)控制和消費(fèi)電子拓展至新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)、變頻家電等諸多市場，市場規(guī)模呈現(xiàn)穩(wěn)健增長態(tài)勢。目前國內(nèi)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈正在日趨完善，技術(shù)也正在取得突破。同時(shí)，中國也是全球的功率半導(dǎo)體消費(fèi)國，2019年市場需求規(guī)模達(dá)到約144億美元，增速約為4％，占全球需求比例高達(dá)35％。本文將重點(diǎn)針對常見的幾種功率半導(dǎo)體進(jìn)行介紹。

1、MCT：MOS控制晶閘管

MCT是一種新型MOS與雙極復(fù)合型器件。如圖所示。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。

2、IGCT

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。

目前，IGCT已經(jīng)商品化，ABB公司制造的IGCT產(chǎn)品的性能參數(shù)為4［1］5kV／4kA，研制水平為6kV／4kA。1998年，日本三菱公司也開發(fā)了直徑為88mm的GCT的晶閘管IGCT損耗低、開關(guān)快速等優(yōu)點(diǎn)保證了它能可靠、高效率地用于300kW～10MW變流器，而不需要串聯(lián)和并聯(lián)。

3、IEGT：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）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：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。

功率半導(dǎo)體器件優(yōu)缺點(diǎn)分析

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

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。

審核編輯：郭婷