電源適配器半導體功率開關器件

在電源適配器半導體功率開關器件中,晶閘管( Thyristor,也可稱為可控硅SCR)是目前具有最高耐壓容量與最大電流容量的器件?其最大電流額定值為8000A,電壓額定值可達12kV?國外目前已能在100mm直徑的硅片上工業化生產8kV/4000A的晶閘管?此外,光控晶閘管的額定 值可達8kV/4000A,快速晶閘管的額定值為2kV/800A,最高頻率為20kHz?但晶閘管不能用門極控制其關斷,需要復雜的輔助換流關斷電路?因此,自20世紀80年代以來,一種通過門極控制其導通和關斷的晶閘管——門極關斷晶閘管GTO得到迅速發展?目前,日本三菱電機公司?瑞典ABB等多家廠商能在6英寸硅片上生產6kV/6kA?頻率為1kHz的GTO,研制水平已達8kV/8kA?但GTO仍然有著復雜的門極驅動電路?低耐量的di/dt和da/dt以及  小的安全工作區( Safe Operating Area-soa),在工作時需要一個龐大的吸收( Snubber)電路針對GTO的上述缺陷,在充分發揮GTO高壓大電流下單芯片工作和低導通損耗的基礎上開發研制三種MOS柵控制且具有硬關斷( Hard Switching)能力的新型大功率電源適配器半導體器件?

  一是瑞典ABB公司和日本三菱電機公司提出的集成柵換流晶閘管(ABB稱之為Integrated  Gate Commutated thyristor-igct,日本三菱電機稱之為Gate Commutated turn-off  thyristor-gct);二是美國硅功率公司( Silicon Power Corp-SPCO)提出的MOs關斷晶閘管( MOS Turn- off Thyristor-mto);三是由美國CPES黃勤教授提出的發射極關斷晶閘管(E mitter Turn- off Thyristor-eto)?它們在20世紀90年代相繼問世,其中前兩種已走向市場。

  大功率晶體管(GTR)是20世紀70年代發展起來的一種電流控制雙極型功率電源適配器半導體開關器件,常用的有單管?達林頓管和模塊三大系列,現有的水平為1800V/800A/2kHz?1400V/600A/5kHz和600V/3A/100kHz?GTR既具有雙極型晶體管的工作特性,又增大了功率容量,曾在開關電源中等頻率?中等功率容量的電路中廣泛應用?但由于存在雙極型晶體管固有的二次擊穿?安全工作區受各項參數影響而變化?熱容量小?過流能力低等缺點,GTR逐漸被功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)所取代?

  由于GTR?GTO等雙極型全控器件必須提供較大的控制電流,使門極控制電路非常龐大,功率變換系統的體積和重量增大,效率降低?隨著新型功率MOS器件的發展,MOS型功率器件及以其為基礎的新型壓控型功率器件在電力電子裝置中獲得了廣泛應用?功率MOSFET?絕緣柵雙極晶體管等均是電壓控制型器件?可用一些專用的高壓集成電路進行控制,甚至可以把功率器件和控制?自保護電路等做在一個芯片上,大大促進了高壓集成電路和智能功率集成電路(SPIC)的發展,使電力電子技術產生了新的飛躍,促進了電力電子系統向智能化小型化和高性能方向發展

  多子導電的功率MOSFET顯著地減小了開關時間?因而很容易達到100kHz的開關頻率,沖破了電力電子系統中20kHz這一長期被認為是不可逾越的障礙?商品化的功率MOSFET已達到60V/200A/2MHIz和500V/50A/100kHz的水平?功率MOSFET是低壓(<100V)范圍內最好的功率開關器件?但在高壓應用時,其最大缺點是導通電阻隨耐壓的2.5次方急劇上升,給高壓功率MOSFET的應用帶來了很大困難?近幾年,人們為提高其耐壓降低其導通電阻進行了大量研究,利用SPACER技術研制的小單元尺寸第五代功率MOSFET和槽柵(TMOS?RMOS?UMOS)功率MOSFET均工業化生產,IR公司生產的功率MOSFET元胞密度已到達每平方寸1.12億個,IRF1704的最高工作溫度已高達200℃?目前,功率MOSFET的研制水平為1000V/65A,模塊為600V/160A?在功率MOSFET領域一種基于陳星弼院士專利,打破了傳統功率MOSFET理論極限,被國際上盛譽為功率MOSFET領域里程碑的新型功率MOSFET-CO(IMOS于1998年問世并很快走向市場?COOIMOS由于采用新的耐壓層(CB)結構(又稱為Super Junction結構或者稱為Mult- Resurf結構),在幾乎保持功率MOSFET所有優點的同時,又有著極低的導通損耗?但受工藝限制目前,市場上COOIMOS產品最大功率容量只有1000V/20A?人們相信,隨著COOIMOS功率容量的增加,高頻?高壓?大電流功率電源適配器半導體開關器件的實現,必將給電力電子產品帶來一場新的變革?

     IGBT既有功率MOSFET高輸入阻抗?快速開啟?驅動電路簡單和所需驅動功率小等優點,又具有功率晶體管漂移區電導調制?導通損耗低的特點,且較功率MOSFET有著更大的電流密度?更高密度功率容量和較功率晶體管更高的開關頻率?更寬的安全工作區?這些優勢使IGBT在600V以上中等電壓范圍內成為主流的功率器件,且正逐漸向高壓大電流領域發展?在器件研究方面,研究人員著重對IGBT正向導通時漂移區少數載流子濃度與分布控制的所謂“集電極工程”與IGBT壓接式封裝方面進行研究?在高壓IGBT的器件研究中,一種具有類似功率PIN二極管漂移區濃度分布的注入增強型IGBT-IEGT已研制成功?IEGT通過發射極側的注入增強(IE)效應,大大降低了高壓IGBT的導通損耗,通過局域壽命控制技術或(和)透明集電極技術,控制集電極側的載流子濃度,減弱了IGBT關斷電流尾?

     IGBT的未來發展趨勢有兩個方向:一個是超大功率IGBT模塊;另一個是超快速IGBT?由于IGBT較功率MO)SFET有著更大的電流密度(同等輸出功率的IGBT與功率MOS相比,前者的芯片面積只有后者的40%),且IGBT內部沒有寄生的反向二極管,這使得IGBT的效率更高?應用更靈活?在中等電壓(370~600V)范圍內,IGBT已應用到了150~180kHz的頻率范圍(如美國INTERSIL公司的SMPS IGBT系列和IR公司的WARP SPEED TM IOBT系列)寬禁帶電源適配器半導體器件,特別是SIC電源適配器半導體器件被視為下一代的電源適配器半導體功率器件,各種SC功率開關器件(如MOSFET?MESFET?IGBT?SIT?GTO?BJT等)相繼研制成功?雖然近幾年SC功率開關器件取得了長足進步,但離大規模商業化仍還有一段距離?表2-1為SC功率開關器件的最高水平?SiC功率開關器件最高水平