電源適配器半導(dǎo)體功率開關(guān)器件

在電源適配器半導(dǎo)體功率開關(guān)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(dá)12kV?國外目前已能在100mm直徑的硅片上工業(yè)化生產(chǎn)8kV/4000A的晶閘管?此外,光控晶閘管的額定 值可達(dá)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(guān)斷,需要復(fù)雜的輔助換流關(guān)斷電路?因此,自20世紀(jì)80年代以來,一種通過門極控制其導(dǎo)通和關(guān)斷的晶閘管——門極關(guān)斷晶閘管GTO得到迅速發(fā)展?目前,日本三菱電機(jī)公司?瑞典ABB等多家廠商能在6英寸硅片上生產(chǎn)6kV/6kA?頻率為1kHz的GTO,研制水平已達(dá)8kV/8kA?但GTO仍然有著復(fù)雜的門極驅(qū)動電路?低耐量的di/dt和da/dt以及  小的安全工作區(qū)( 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(fā)揮GTO高壓大電流下單芯片工作和低導(dǎo)通損耗的基礎(chǔ)上開發(fā)研制三種MOS柵控制且具有硬關(guān)斷( Hard Switching)能力的新型大功率電源適配器半導(dǎo)體器件?

  一是瑞典ABB公司和日本三菱電機(jī)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(jī)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(guān)斷晶閘管( MOS Turn- off Thyristor-mto);三是由美國CPES黃勤教授提出的發(fā)射極關(guān)斷晶閘管(E mitter Turn- off Thyristor-eto)?它們在20世紀(jì)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(jì)70年代發(fā)展起來的一種電流控制雙極型功率電源適配器半導(dǎo)體開關(guān)器件,常用的有單管?達(dá)林頓管和模塊三大系列,現(xiàn)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(guān)電源中等頻率?中等功率容量的電路中廣泛應(yīng)用?但由于存在雙極型晶體管固有的二次擊穿?安全工作區(qū)受各項參數(shù)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(tǒng)的體積和重量增大,效率降低?隨著新型功率MOS器件的發(fā)展,MOS型功率器件及以其為基礎(chǔ)的新型壓控型功率器件在電力電子裝置中獲得了廣泛應(yīng)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(jìn)行控制,甚至可以把功率器件和控制?自保護(hù)電路等做在一個芯片上,大大促進(jìn)了高壓集成電路和智能功率集成電路(SPIC)的發(fā)展,使電力電子技術(shù)產(chǎn)生了新的飛躍,促進(jìn)了電力電子系統(tǒng)向智能化小型化和高性能方向發(fā)展

  多子導(dǎo)電的功率MOSFET顯著地減小了開關(guān)時間?因而很容易達(dá)到100kHz的開關(guān)頻率,沖破了電力電子系統(tǒng)中20kHz這一長期被認(rèn)為是不可逾越的障礙?商品化的功率MOSFET已達(dá)到60V/200A/2MHIz和500V/50A/100kHz的水平?功率MOSFET是低壓(<100V)范圍內(nèi)最好的功率開關(guān)器件?但在高壓應(yīng)用時,其最大缺點是導(dǎo)通電阻隨耐壓的2.5次方急劇上升,給高壓功率MOSFET的應(yīng)用帶來了很大困難?近幾年,人們?yōu)樘岣咂淠蛪航档推鋵?dǎo)通電阻進(jìn)行了大量研究,利用SPACER技術(shù)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(yè)化生產(chǎn),IR公司生產(chǎn)的功率MOSFET元胞密度已到達(dá)每平方寸1.12億個,IRF1704的最高工作溫度已高達(dá)200℃?目前,功率MOSFET的研制水平為1000V/65A,模塊為600V/160A?在功率MOSFET領(lǐng)域一種基于陳星弼院士專利,打破了傳統(tǒng)功率MOSFET理論極限,被國際上盛譽(yù)為功率MOSFET領(lǐng)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(jié)構(gòu)(又稱為Super Junction結(jié)構(gòu)或者稱為Mult- Resurf結(jié)構(gòu)),在幾乎保持功率MOSFET所有優(yōu)點的同時,又有著極低的導(dǎo)通損耗?但受工藝限制目前,市場上COOIMOS產(chǎn)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(dǎo)體開關(guān)器件的實現(xiàn),必將給電力電子產(chǎn)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(qū)動電路簡單和所需驅(qū)動功率小等優(yōu)點,又具有功率晶體管漂移區(qū)電導(dǎo)調(diào)制?導(dǎo)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(guān)頻率?更寬的安全工作區(qū)?這些優(yōu)勢使IGBT在600V以上中等電壓范圍內(nèi)成為主流的功率器件,且正逐漸向高壓大電流領(lǐng)域發(fā)展?在器件研究方面,研究人員著重對IGBT正向?qū)〞r漂移區(qū)少數(shù)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(jìn)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(qū)濃度分布的注入增強(qiáng)型IGBT-IEGT已研制成功?IEGT通過發(fā)射極側(cè)的注入增強(qiáng)(IE)效應(yīng),大大降低了高壓IGBT的導(dǎo)通損耗,通過局域壽命控制技術(shù)或(和)透明集電極技術(shù),控制集電極側(cè)的載流子濃度,減弱了IGBT關(guān)斷電流尾?

     IGBT的未來發(fā)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(nèi)部沒有寄生的反向二極管,這使得IGBT的效率更高?應(yīng)用更靈活?在中等電壓(370~600V)范圍內(nèi),IGBT已應(yīng)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(dǎo)體器件,特別是SIC電源適配器半導(dǎo)體器件被視為下一代的電源適配器半導(dǎo)體功率器件,各種SC功率開關(guān)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(guān)器件取得了長足進(jìn)步,但離大規(guī)模商業(yè)化仍還有一段距離?表2-1為SC功率開關(guān)器件的最高水平?SiC功率開關(guān)器件最高水平