功率半导体的优劣势分析_功率半导体器件用途

　　功率半导体器件概述

　　电力电子器件（PowerElectronicDevice）又称为功率半导体器件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）。

　　功率半导体器件分类

　　按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度分类：

　　1.半控型器件，例如晶闸管；

　　2.全控型器件，例如GTO（门极可关断晶闸管）、GTR（电力晶体管），MOSFET（电力场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）；

　　3.不可控器件，例如电力二极管；

　　按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分类：

　　1.电压驱动型器件，例如IGBT、MOSFET、SITH（静电感应晶闸管）；

　　2.电流驱动型器件，例如晶闸管、GTO、GTR；

　　根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的有效信号波形分类：

　　1.脉冲触发型，例如晶闸管、GTO；

　　2.电子控制型，例如GTR、MOSFET、IGBT；

　　按照电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分类：

　　1.双极型器件，例如电力二极管、晶闸管、GTO、GTR；

　　2.单极型器件，例如MOSFET、SIT；

　　3.复合型器件，例如MCT（MOS控制晶闸管）、IGBT、SITH和IGCT；

　　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。

　　功率半导体模块的重要器件介绍

　　1、高压晶闸管

　　2、用于未来能量转换中的igbt和快速开关二极管

　　3、采用超级结技术的超高速开关器件

　　4、应用于高功率电源的sic元件

　　功率半导体模块的发展趋势

　　功率电子模块的集成度。半导体模块之间的差异，不仅仅体现在连接技术方面。另一个差别因素是附加有源和无源器件的集成度。根据集成度不同，可分为以下几类：标准模块，智能功率模块（ipm），（集成）子系统。在ipm被广泛使用（尤其在亚洲地区）的同时，集成子系统的使用只刚刚起步。

　　1、智能功率模块

　　智能功率模块的特点在于除了功率半导体器件外，还有驱动电路。许多ipm模块也配备了温度传感器和电流平衡电路或用于电流测量的分流电阻。通常智能功率模块也集成了额外保护和监测功能，如过电流和短路保护，驱动器电源电压控制和直流母线电压测量等。

　　然而，大部分智能功率模块没有对功率侧的信号输入进行电气隔离。只有极少数的ipm包含了一个集成光耦。另一种隔离方案是采用变压器进行隔离。

　　通常，小规模的ipm的特点在于其引线框架技术。穿孔铜板用作功率开关和驱动ic的载体。通过一层薄薄的塑料或绝缘金属板进行散热。

　　用于中高功率应用的ipm模块的设计特点是将模块分为两个层次。功率半导体在底部，驱动器和保护电路在上部。本领域内名气最大的ipm是赛米控的skiip？，已面市超过了10年。这种无底板ipm系列产品的最大额定电流是2400a，包括一个驱动器和保护功能，加上电流传感器、电气隔离和电源。这些模块装在风冷或水冷冷却器上，并在供货前进行全面的测试。

　　一个有趣的趋势是将标准模块升级为ipm。可直接或使用带驱动电路（通过弹簧连接）的适配器板来进行升级。赛米控的skypertm驱动器是这方面理想的产品。

　　2、集成子系统

　　所有这些ipm的共同点是真实的“智能”，即将设定点值转换成驱动脉冲序列的控制器不包含在模块中。赛米控是250kw以下转换器用集成子系统的核心制造商。skaitm模块也是ipm，其特点是集成了dsp控制器，除脉宽调制外，还可进行其它通信任务。这些子系统也包含集成直流环节电容器，一个辅助电源，精密电流传感器和一个液体冷却器。

　　功率半导体器件的基本功能和用途

　　功率半导体器件（PowerSemiconductorDevice），也可以叫做电力半导体器件。电力电子技术离不开电力电子变换器（PowerConverter）。电力电子变换器是进行电力特征形式变换的电力电子电路和装置的总称，它有如下4种基本模式：直-交（DC/AC）逆变模式、交-交（AC/AC）变频模式、交-直（AC/DC）整流模式和直-直（DC/DC）变换模式。

　　电力电子变换器的形式多种多样，但一般以功率半导体器件、不同拓扑形式的电路和不同的控制策略作为基本组成元素，也称为“变换器三要素”。图1为一个典型的电力电子变换器示意图。

　　功率半导体器件是电力电子技术及其应用装置的基础，是推动电力电子变换器发展的主要源泉。功率半导体器件处于现代电力电子变换器的心脏地位，它对装置的可靠性、成本和性能起着十分重要的作用。40年来，普通晶闸管（Thyristor，SCR）、门极关断晶闸管（GTO）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）先后成为功率半导体器件的发展平台。能称为“平台”者，一般是因为它们具备以下几个特点：①长寿性，即产品生命周期长；②渗透性，即应用领域宽；③派生性，即可以派生出多个相关新器件家属。

　　电力电子变换器的功率等级覆盖范围非常广泛，包括小功率范围（几W到几kW），如笔记本电脑、冰箱、洗衣机、空调等；中功率范围（10kW到几MW），如电气传动、新能源发电等；大功率范围（高达几GW），如高压直流（HVDC）输电系统等。

　　电力电子变换器的应用领域越来越广泛，同时也对功率半导体器件提出了更高的性能需求。继前些年推出集成门极晶闸管（IGCT）和电子注入增强型栅极晶体管（IEGT）后，如今采用碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）材料的新型功率器件已经应运而生。目前，功率半导体的发展主要是其功率承受能力和开关频率之间的矛盾，往往功率越大，耐压越高，允许的开关频率就越低。从功率半导体器件的个体来说，大功率和高频化仍是现阶段发展的两个重要方向。

　　功率半导体器件应用需要考虑大功率电路应用的特性，如绝缘、大电流能力等，在实际应用中，以动态的“开”和“关”为运行特征，一般不运行在放大状态。由功率半导体器件构成的电力电子变换器实施的是电磁能量转换，而不是单纯的开/关状态，它的很多非理想应用特性在电力电子变换器中起着举足轻重的作用。要用好功率半导体器件，既要熟悉电力电子变换器的拓扑，更要充分掌握器件本身的特性。