功率半导体器件有哪些？ 优缺点如何？（文末有惊喜）

 

常见的功率半导体器件有哪些？

　　功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等。按照分类来看，功率半导体可以分为功率IC和功率分立器件两大类，其中功率分立器件主要包括二极管、晶闸管、晶体管等产品。

　　近年来，功率半导体的应用领域已从工业控制和消费电子拓展至新能源、轨道交通、智能电网、变频家电等诸多市场，市场规模呈现稳健增长态势。目前国内功率半导体产业链正在日趋完善，技术也正在取得突破。同时，中国也是全球的功率半导体消费国，2019年市场需求规模达到约144亿美元，增速约为4％，占全球需求比例高达35％。本文将重点针对常见的几种功率半导体进行介绍。

　1、MCT：MOS控制晶闸管

　　MCT是一种新型MOS与双极复合型器件。如图所示。MCT是将MOSFET的高阻抗、低驱动图MCT的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起，形成大功率、高压、快速全控型器件。实质上MCT是一个MOS门极控制的晶闸管。它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断，它由无数单胞并联而成。

2、IGCT

　　IGCT是在晶闸管技术的基础上结合IGBT和GTO等技术开发的新型器件，适用于高压大容量变频系统中，是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。

　　IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器功率0．5～3MW，三电平逆变器1～6MW；若反向二极管分离，不与IGCT集成在一起，二电平逆变器功率可扩至4／5MW，三电平扩至9MW。

　　目前，IGCT已经商品化，ABB公司制造的IGCT产品的性能参数为4［1］5kV／4kA，研制水平为6kV／4kA。1998年，日本三菱公司也开发了直径为88mm的GCT的晶闸管IGCT损耗低、开关快速等优点保证了它能可靠、高效率地用于300kW～10MW变流器，而不需要串联和并联。

3、IEGT：电子注入增强栅晶体管

　　IEGT是耐压达4kV以上的IGBT系列电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点，以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性，使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。另外，通过模块封装方式还可提供众多派生产品，在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。日本东芝开发的IECT利用了电子注入增强效应，使之兼有IGBT和GTO两者的优点：低饱和压降，安全工作区（吸收回路容量仅为GTO的十分之一左右），低栅极驱动功率（比GTO低两个数量级）和较高的工作频率。器件采用平板压接式电机引出结构，可靠性高，性能已经达到4．5kV／1500A的水平。

　4、IPEM：集成电力电子模块

　　IPEM是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。它首先是将半导体器件MOSFET，IGBT或MCT与二极管的芯片封装在一起组成一个积木单元，然后将这些积木单元迭装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上，在它的下面依次是铜基板、氧化铍瓷片和散热片。在积木单元的上部，则通过表面贴装将控制电路、门极驱动、电流和温度传感器以及保护电路集成在一个薄绝缘层上。IPEM实现了电力电子技术的智能化和模块化，大大降低了电路接线电感、系统噪声和寄生振荡，提高了系统效率及可靠性。

 

 

功率半导体器件优缺点分析

电力二极管：结构和原理简单，工作可靠

 

晶闸管：承受电压和电流容量在所有器件中最高

 

IGBT：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；

缺点：开关速度低于电力MOSFET，电压，电流容量不及GTO

 

GTR：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；

缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题

 

GTO：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；

缺点：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低

 

MOSFET：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题；

缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

 

制约因素：耐压，电流容量，开关的速度。

 

 

　　随着下游电气化程度不断增加，功率半导体需求提升，器件应用范围不断拓展。但是全球功率半导体市场仍由欧美日企业主导，其中英飞凌以 19%的市占率占据绝对领先地位。全球功率半导体前十名供应商全是海外企业，市场份额高达 60%以上，我国功率半导体国产替代进程目前仍然处于初步阶段。

 

图：全球功率器件需求按区域分布占比

来源：IDC，东兴证券研究所

 

图：全球功率半导体市场格局

来源：IHS Markit，东兴证券研究所

 

国内厂家有望在功率半导体领域实现逐步替代。

 

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