功率半導(dǎo)體器件概述

　　電力電子器件（PowerElectronicDevice）又稱為功率半導(dǎo)體器件，主要用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路方面大功率的電子器件（通常指電流為數(shù)十至數(shù)千安，電壓為數(shù)百伏以上）。

　　功率半導(dǎo)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(guān)斷晶閘管）、GTR（電力晶體管），MOSFET（電力場效應(yīng)晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）；

　　3.不可控器件，例如電力二極管；

　　按照驅(qū)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(zhì)分類：

　　1.電壓驅(qū)動型器件，例如IGBT、MOSFET、SITH（靜電感應(yīng)晶閘管）；

　　2.電流驅(qū)動型器件，例如晶閘管、GTO、GTR；

　　根據(jù)驅(qū)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.脈沖觸發(fā)型，例如晶閘管、GTO；

　　2.電子控制型，例如GTR、MOSFET、IGBT；

　　按照電力電子器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分類：

　　1.雙極型器件，例如電力二極管、晶閘管、GTO、GTR；

　　2.單極型器件，例如MOSFET、SIT；

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

　　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，驅(qū)動功率小；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，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(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)斷時門極負(fù)脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(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)動功率小且驅(qū)動電路簡單，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。

　　功率半導(dǎo)體模塊的重要器件介紹

　　1、高壓晶閘管

　　2、用于未來能量轉(zhuǎn)換中的igbt和快速開關(guān)二極管

　　3、采用超級結(jié)技術(shù)的超高速開關(guān)器件

　　4、應(yīng)用于高功率電源的sic元件

　　功率半導(dǎo)體模塊的發(fā)展趨勢

　　功率電子模塊的集成度。半導(dǎo)體模塊之間的差異，不僅僅體現(xiàn)在連接技術(shù)方面。另一個差別因素是附加有源和無源器件的集成度。根據(jù)集成度不同，可分為以下幾類：標(biāo)準(zhǔn)模塊，智能功率模塊（ipm），（集成）子系統(tǒng)。在ipm被廣泛使用（尤其在亞洲地區(qū)）的同時，集成子系統(tǒng)的使用只剛剛起步。

　　1、智能功率模塊

　　智能功率模塊的特點(diǎn)在于除了功率半導(dǎo)體器件外，還有驅(qū)動電路。許多ipm模塊也配備了溫度傳感器和電流平衡電路或用于電流測量的分流電阻。通常智能功率模塊也集成了額外保護(hù)和監(jiān)測功能，如過電流和短路保護(hù)，驅(qū)動器電源電壓控制和直流母線電壓測量等。

　　然而，大部分智能功率模塊沒有對功率側(cè)的信號輸入進(jìn)行電氣隔離。只有極少數(shù)的ipm包含了一個集成光耦。另一種隔離方案是采用變壓器進(jìn)行隔離。

　　通常，小規(guī)模的ipm的特點(diǎn)在于其引線框架技術(shù)。穿孔銅板用作功率開關(guān)和驅(qū)動ic的載體。通過一層薄薄的塑料或絕緣金屬板進(jìn)行散熱。

　　用于中高功率應(yīng)用的ipm模塊的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是將模塊分為兩個層次。功率半導(dǎo)體在底部，驅(qū)動器和保護(hù)電路在上部。本領(lǐng)域內(nèi)名氣最大的ipm是賽米控的skiip？，已面市超過了10年。這種無底板ipm系列產(chǎn)品的最大額定電流是2400a，包括一個驅(qū)動器和保護(hù)功能，加上電流傳感器、電氣隔離和電源。這些模塊裝在風(fēng)冷或水冷冷卻器上，并在供貨前進(jìn)行全面的測試。

　　一個有趣的趨勢是將標(biāo)準(zhǔn)模塊升級為ipm。可直接或使用帶驅(qū)動電路（通過彈簧連接）的適配器板來進(jìn)行升級。賽米控的skypertm驅(qū)動器是這方面理想的產(chǎn)品。

　　2、集成子系統(tǒng)

　　所有這些ipm的共同點(diǎn)是真實(shí)的“智能”，即將設(shè)定點(diǎn)值轉(zhuǎn)換成驅(qū)動脈沖序列的控制器不包含在模塊中。賽米控是250kw以下轉(zhuǎn)換器用集成子系統(tǒng)的核心制造商。skaitm模塊也是ipm，其特點(diǎn)是集成了dsp控制器，除脈寬調(diào)制外，還可進(jìn)行其它通信任務(wù)。這些子系統(tǒng)也包含集成直流環(huán)節(jié)電容器，一個輔助電源，精密電流傳感器和一個液體冷卻器。

　　功率半導(dǎo)體器件的基本功能和用途

　　功率半導(dǎo)體器件（PowerSemiconductorDevice），也可以叫做電力半導(dǎo)體器件。電力電子技術(shù)離不開電力電子變換器（PowerConverter）。電力電子變換器是進(jìn)行電力特征形式變換的電力電子電路和裝置的總稱，它有如下4種基本模式：直-交（DC/AC）逆變模式、交-交（AC/AC）變頻模式、交-直（AC/DC）整流模式和直-直（DC/DC）變換模式。

　　電力電子變換器的形式多種多樣，但一般以功率半導(dǎo)體器件、不同拓?fù)湫问降碾娐泛筒煌目刂撇呗宰鳛榛窘M成元素，也稱為“變換器三要素”。圖1為一個典型的電力電子變換器示意圖。

　　功率半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)及其應(yīng)用裝置的基礎(chǔ)，是推動電力電子變換器發(fā)展的主要源泉。功率半導(dǎo)體器件處于現(xiàn)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(guān)斷晶閘管（GTO）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）先后成為功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展平臺。能稱為“平臺”者，一般是因?yàn)樗鼈兙邆湟韵聨讉€特點(diǎn)：①長壽性，即產(chǎn)品生命周期長；②滲透性，即應(yīng)用領(lǐng)域?qū)挘虎叟缮裕纯梢耘缮龆鄠€相關(guān)新器件家屬。

　　電力電子變換器的功率等級覆蓋范圍非常廣泛，包括小功率范圍（幾W到幾kW），如筆記本電腦、冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等；中功率范圍（10kW到幾MW），如電氣傳動、新能源發(fā)電等；大功率范圍（高達(dá)幾GW），如高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)等。

　　電力電子變換器的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，同時也對功率半導(dǎo)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(qiáng)型柵極晶體管（IEGT）后，如今采用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）材料的新型功率器件已經(jīng)應(yīng)運(yùn)而生。目前，功率半導(dǎo)體的發(fā)展主要是其功率承受能力和開關(guān)頻率之間的矛盾，往往功率越大，耐壓越高，允許的開關(guān)頻率就越低。從功率半導(dǎo)體器件的個體來說，大功率和高頻化仍是現(xiàn)階段發(fā)展的兩個重要方向。

　　功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用需要考慮大功率電路應(yīng)用的特性，如絕緣、大電流能力等，在實(shí)際應(yīng)用中，以動態(tài)的“開”和“關(guān)”為運(yùn)行特征，一般不運(yùn)行在放大狀態(tài)。由功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的電力電子變換器實(shí)施的是電磁能量轉(zhuǎn)換，而不是單純的開/關(guān)狀態(tài)，它的很多非理想應(yīng)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(dǎo)體器件，既要熟悉電力電子變換器的拓?fù)洌浞终莆掌骷旧淼奶匦浴?/p>