開(kāi)關(guān)電源功率半導體器件

　　在過(guò)去的20多年，出現了一些新功率半導體開(kāi)關(guān)器件和功率模塊，在如功率MOS-FET，絕緣柵雙極晶體管IGBT，碳化硅（SiC）器件等領(lǐng)域都有 了不同程度的新進(jìn)展（以下未特別注明的MOSFET、IGBT或IGCT等，均是指用硅晶片制成的）。

　　1）功率MOSFET

　　1979年，功率MOSFET場(chǎng)效應晶體管問(wèn)世。由于它的輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快和熱穩定性好，可以完全代替功率晶體管GTR和中小電流的晶閘管 ，使電力電子電路如開(kāi)關(guān)電源實(shí)現高頻化成為可能。其電壓電流定額已經(jīng)達到了500V/240 A、1500V/200 A。功率MOSFET的特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)損耗小， 但是通態(tài)功耗大，而且功率MOSFET的擊穿電壓UB越高，通態(tài)電阻RDS（on）越大。以理想的N溝道功率MOSFET為例，通態(tài)電阻RDS（on）和擊穿電壓UB 有如下關(guān)系：

　　1989年，Infineon公司推出冷MOS管（Cco1 MCGFET），它采用了超級結（Super-Junction）結構，故又稱(chēng)做超結功率MOSFET，工作電壓為600～ 800V，通態(tài)電阻幾乎降低了一個(gè)數量級，但仍保持著(zhù)開(kāi)關(guān)速度快的特點(diǎn)，是一種具有發(fā)展前途的高頻功率半導體開(kāi)關(guān)器件。

　　2）絕緣柵雙極晶體管IGBT

　　1982年，B.J.Ba1iga將雙極晶體管和功率MOSFET技術(shù)組合在一起，成功地開(kāi)發(fā)出第－個(gè)絕緣柵雙極晶體管，取名為IGT（Insulated Gate Transistor），后來(lái)國際電力電子界通稱(chēng)為GBT（Insu1ated Gate Bipo1ar Transistor）。它是將MOS門(mén)極（柵極）的優(yōu)良輸人特性和雙極晶體管的 良好輸出特性的功能集成在一起構成的。它的通態(tài)壓降小、電流密度大，完全可以代替功率晶體管GTR和中小電流的晶問(wèn)管，成為公認的最有發(fā) 展前景的一種電力電子半導體開(kāi)關(guān)器件。

　　IGBT的技術(shù)進(jìn)展，實(shí)際上是通態(tài)壓降、快速開(kāi)關(guān)和高耐壓能力三者的折中。IGBT的門(mén)極結構有平面型和溝型兩種。隨著(zhù)工藝和結構形式的不 同，在⒛多年的歷史發(fā)展進(jìn)程中，開(kāi)發(fā)的IGBT有以下幾種類(lèi)型：穿通（PT）型、非穿通（NPT）型、軟穿通（SPT）型、溝槽型和電場(chǎng)截止（PS）型等。 IGBT的未來(lái)發(fā)展方向是：①逆阻型IGBT模塊、減小輸人電流畸變；②最佳模塊組合，減小通態(tài)噪聲；③控制du/dt和di/dt的能力，減少噪聲發(fā) 射。

　　據報道，IGBT則出現時(shí)，電壓電流的額定值只有600V/25 A。在很長(cháng)的一段時(shí)間內耐壓水平都限定在1200～1700 V，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的探索研究和 改造，現在IGBT的電壓電流的額定值已經(jīng)達到3300V/1200 A、4500V/1800AL等，高壓IGBT單片耐壓甚至達到6500V。一般IGBT的工作頻率上限為 20～40 kHz?；赑T結構、應用新技術(shù)所制造的IGBT，可以工作在150kHz（硬開(kāi)關(guān)）和300 kHz（軟開(kāi)關(guān)）。

　　3）集成門(mén)極換流晶間管IGCT

　　集成門(mén)極換流晶閘管（Integrated Gate Commutation Thyristor）是1977年出現的一種新型高電壓大電流開(kāi)關(guān)器件，簡(jiǎn)稱(chēng)IGCT。它利用功率 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，將MOS技術(shù)與晶間管組合。它的損耗比可關(guān)斷晶閘管GTO小，接線(xiàn)比GTO簡(jiǎn)單可靠，并可以采用風(fēng)冷?，F在已開(kāi)始應用于中大型功 率的電力電子變頻調速系統，如MW級的變頻器、新型的靜止式無(wú)功功率補償裝置等。

　　4500V/4000 A IGCT的參數為工作頻率1kHz，正向壓降為2.7V，di/dt=1000A/μs。

　　4）碳化硅功率半導體開(kāi)關(guān)器件

　　碳化硅SiC（Si1icon Carbide）是功率半導體開(kāi)關(guān)器件晶片的理想材料。其優(yōu)點(diǎn)是：禁帶寬、工作溫度高（可達600℃）熱穩定性好、通態(tài)電阻小 、導熱性能好、漏電流極小、PN結耐壓高，有利于制造出耐高溫的高頻大功率半導體開(kāi)關(guān)器件。

　　現在已經(jīng)制造出40 mm SiC晶片，1990年已有30 mm SiC晶片上市，在電力電子技術(shù)中，開(kāi)始用SiC器件代替Si器件。例如，SiC肖特基二極管 已有商品問(wèn)世，定額為300V、600V、1200V/20A，反向恢復時(shí)間接近于零，175℃以下SiC肖特基二極管的反向電流幾乎不變。

　　據《電力電子》雜志2004年第4期報道，已經(jīng)試制出一批SiC器件樣品，如SiC功率MOSFET，定額為：750V/15mA，RDC（on）=66mΩ；1998年研制 出耐壓達1400V，通態(tài)電阻為311mΩ的SiC功率MOSFET。其他又如SiC晶閘管，950V/16A，通態(tài)壓降為3.67V；1999年研制出耐壓達790V，通態(tài)壓 降為1.5V，電流密度為75A/cm2的SiC IGBT。

　　可以預見(jiàn)，碳化硅將是21世紀最可能成為應用成功的新型功率半導體器件的材料。