提高功率器件输出密度的方法

“功率器件”是指逆变器、转换器等电力转换设备以及安装在其中的半导体元件。按功能划分，有功率晶体管（MOSFET、IGBT等）、二极管、晶闸管、双向可控硅等半导体元件；按形式划分，有半导体元件（分立）和功率模块（在一个封装中包含多个半导体元件的设备） ).有智能功率模块(IPM：将控制电路、驱动电路、保护电路等和半导体元件模块化的装置)。

始终需要提高功率密度

功率器件自古以来就被要求提高输出密度（单位体积的输出功率）。1980年左右，每1cc（1cm 3 ）的输出仅为0.1W。20世纪90年代中期，增加到1W，大约10倍，2010年代，进一步增加10倍，达到10W。

基本上只有三种方法可以提高功率密度。一是提高输出电流，二是提高开关频率，三是缩小散热器（散热元件）的尺寸。所有这些技术只会增加工作温度并缩短设备寿命。因此，需要某种对策。

“车载功率器件”中提高功率器件输出密度的问题和对策的图

提高功率器件输出密度的挑战。更高的输出电流、更高的开关频率和更小的散热器都会导致更高的工作温度

大幅降低器件损耗的宽禁带半导体

作为抑制伴随输出电流上升的损耗增加的方法，低损耗材料的使用备受期待。具体来说，半导体器件的材料将从目前主流的硅（Si）变为能带隙比Si更宽的材料（“宽带隙”半导体材料）。

用于功率器件的宽禁带半导体材料的候选材料包括碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。SiC器件已在汽车、铁路车辆等领域投入实用。

主要半导体材料的物理和电学特性，带隙比Si更宽的材料具有明显更高的介电击穿场强

宽禁带半导体的介电击穿场强大约比 Si 高 10 倍。结果，维持晶体管击穿电压的漂移层（该层的电阻率不是很低）可以做得大约十分之一薄。结果，减少了晶体管的传导损耗和开关损耗。

例如，与使用Si IGBT和二极管的功率模块相比，使用SiC MOSFET和二极管的功率模块可以显着降低约30%的功率损耗（减少70%）。

Si功率模块和SiC功率模块的功率损耗

通过改进散热结构降低热阻

下面我们以逆变电源模块的散热结构为例，说明一下散热技术的改进趋势。此前，电源模块（底部）通过油脂连接到金属散热器。又称单面冷却结构（单面散热结构）。其次，引入了双面冷却（双面散热）结构，通过油脂将散热器连接到功率模块的正面和底部，降低热阻。

此外，还开发了一种无需润滑脂即可直接连接散热器和模块（一侧）的结构（直接冷却结构）。这就导致了模块两侧均采用直接连接的散热结构（直接双面冷却结构）的出现。

逆变器功率模块散热结构的改进趋势

通往更高工作温度的途径

最后一项措施是让工作温度升高。与硅相比，宽禁带半导体更耐高温运行。Si器件的工作温度（结温）上限约为125°C至150°C。曾经，宽禁带器件被认为可以在 250°C 至 300°C 的温度下工作。然而，由于损耗增加以及需要无源元件应对高温等问题，实际应用尚未取得进展。事实上，目前的目标是175℃至200℃。

功率半导体结温的转变和预测（1980-2030）

来源：半导体芯闻

 

　　审核编辑：汤梓红