功率半導(dǎo)體器件的研究意義在哪里

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），PowerMOSFET（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、PowerMOSFET、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、PowerMOSFET、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PowerMOSFET、SIT、肖特基勢壘二極管；

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

大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展

分立功率器件按照功率的大小劃分為大功率半導(dǎo)體器件和中小功率半導(dǎo)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(chǎn)品;大功率模塊則指承受電流25A以上的模塊產(chǎn)品;大功率IGBT、MOSFET指電流超過50A以上的IGBT、MOSFET產(chǎn)品。

1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLab）發(fā)明了晶閘管，國際上，70年代各種類型的晶閘管有了很大發(fā)展，80年代開始加快發(fā)展大功率模塊，同時(shí)各種大功率半導(dǎo)體器件在歐美日有很大的發(fā)展，90年代IGBT等全控型器件研制成功并開始得到應(yīng)用。

在國內(nèi)，60年代晶閘管研究開始起步，70年代研制出大功率的晶閘管，80年代以來，大功率晶閘管在中國得到很大發(fā)展，同時(shí)開始研制模塊;本世紀(jì)以來，開始少量引進(jìn)超大功率晶閘管（含光控晶閘管）技術(shù);近年來國家正在逐步引進(jìn)IGBT、MOSFET技術(shù)。中國宏觀經(jīng)濟(jì)的不斷成長，帶動了大功率半導(dǎo)體器件技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的不斷深入。

晶閘管、模塊、IGBT的發(fā)明和發(fā)展順應(yīng)了電力電子技術(shù)發(fā)展的不同需要，是功率半導(dǎo)體發(fā)展歷程中不同時(shí)段的重要標(biāo)志產(chǎn)品，他們的應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)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(fā)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(qiáng)的抗沖擊能力及高可靠性而占據(jù)優(yōu)勢，同時(shí)又因成本較低、應(yīng)用簡單而易于普及。在10Khz以上、中低功率場合，IGBT、MOSFET以其全控性、適用頻率高而占據(jù)優(yōu)勢。

國內(nèi)外功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展

在特高壓直流輸電技術(shù)需求的驅(qū)動下，我國以晶閘管為代表的半控型器件技術(shù)已經(jīng)成熟，水平居世界前列，6英寸的晶閘管已廣泛用于高壓直流輸電系統(tǒng)，并打入國際市場，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致力于器件開發(fā)、裝置研制及工程應(yīng)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(yīng)用，4500V/3000A仍處于試用與推廣階段。東芝的壓接型IGBT采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(yīng)用。

國內(nèi)，研究機(jī)構(gòu)與國內(nèi)的芯片代工廠合作開發(fā)出3300V~6500V系列IGBT和FRD芯片。有一兩家企業(yè)已獨(dú)立開發(fā)出3300V/1200A，3300V/1500A，4500V/1200A系列焊接型IGBT產(chǎn)品并已得到不同程度的批量應(yīng)用，目前正開發(fā)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方面一直處于引領(lǐng)者的地位，其器件技術(shù)水平比國內(nèi)要領(lǐng)先一代左右，在市場占有方面處于壟斷地位。而國內(nèi)功率半導(dǎo)體研發(fā)制造企業(yè)只在一些單項(xiàng)技術(shù)方面取得了突破，尚未實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)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(tǒng)硅器件相比，SiC器件有著更加優(yōu)良的綜合性能，如高電壓、高結(jié)溫等。20世紀(jì)90年代，美國、日本和德國就開始對SiC材料和功率器件相關(guān)技術(shù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，高壓器件還處于樣品研發(fā)與試用階段。CREE和ROHM已推出1.2kV/300A全SiC模塊產(chǎn)品，三菱公司研發(fā)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(yīng)用方面，CREE、POWEREX和GE聯(lián)合研制一臺基于SiC-MOSFET的容量為1MVA、開關(guān)頻率達(dá)20kHz的單相電力電子變壓器。

國內(nèi)在SiC材料方面，已研制出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(chǎn)品;SiC器件方面，已研制出1.2kV/200A半橋結(jié)構(gòu)的全SiC功率模塊，3.3kV/600A混合模塊樣品;SiC器件高壓應(yīng)用方面，已研制出基于SiCMOSFET的200kVA換流器樣機(jī)。

在SiC器件領(lǐng)域，國外大公司仍是行業(yè)主導(dǎo)，在中低壓中小功率SiC器件方面已形成完整產(chǎn)業(yè)鏈，出貨量呈倍增態(tài)勢，正在步入成熟期。國內(nèi)現(xiàn)階段基本以研究為主，集中于SiC技術(shù)鏈條中的個(gè)別點(diǎn)上進(jìn)行攻關(guān)，總體看綜合實(shí)力不強(qiáng)，在材料和外延方面尚存在短板，與國際先進(jìn)水平還有一定差距。

功率半導(dǎo)體器件的研究意義

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€(gè)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)?；③派生性，即可以派生出多個(gè)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(shí)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(gè)體來說，大功率和高頻化仍是現(xiàn)階段發(fā)展的兩個(gè)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>