一文看懂｜半导体功率器件的组成和应用

常见的几种功率半导体器件

半导体是我们生活中使用的电器里比较常用的一种器件，那么你对半导体有多少了解呢？今天我们就从最基础的半导体功率器件入手，全面了解半导体的“前世今生”。

电力电子器件又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）电子器件。

1、MCT  MOS控制晶闸管

MCT是一种新型MOS与双极复合型器件。MCT是将MOSFET的高阻抗、低驱动下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。

它与GTR、MOSFET、IGBT、GTO等器件相比，有如下优点：

· 电压高、电流容量大，阻断电压已达3000V，峰值电流达1000A，最大可关断电流密度为6000kA/m2；

· 通态压降小、损耗小，通态压降约为11V；

· 极高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已达20kV/s，di/dt为2kA/s；

· 开关速度快，开关损耗小，开通时间约200ns，1000V器件可在2s内关断。

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。

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。

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。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。

5、PEBB

电力电子积木PEBB（Power Electric Building Block）是在IPEM的基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。虽然它看起来很像功率半导体模块，但PEBB除了包括功率半导体器件外，还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。多个PEBB模块一起工作可以完成电压转换、能量的储存和转换、阴抗匹配等系统级功能，PEBB最重要的特点就是其通用性。

6、超大功率晶闸管

晶闸管（SCR）自问世以来，其功率容量提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产8kV/4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV/4kA和6kV/6kA的光触发晶闸管（LTT），美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。

7、脉冲功率闭合开关晶闸管

该器件特别适用于传送极强的峰值功率（数MW）、极短的持续时间（数ns）的放电闭合开关应用场合，如：激光器、高强度照明、放电点火、电磁发射器和雷达调制器等。该器件能在数kV的高压下快速开通，不需要放电电极，具有很长的使用寿命，体积小、价格比较低，可望取代目前尚在应用的高压离子闸流管、引燃管、火花间隙开关或真空开关等。

8、新型GTO器件－集成门极换流晶闸管

当前已有两种常规GTO的替代品：高功率的IGBT模块、新型GTO派生器件-集成门极换流IGCT晶闸管。

9、高功率沟槽栅结构IGBT模块

当今高功率IGBT模块中的IGBT元胞通常多采用沟槽栅结构IGBT。与平面栅结构相比，沟槽栅结构通常采用1μm加工精度，从而大大提高了元胞密度。

10、电子注入增强栅晶体管IEGT

与IGBT一样，它也分平面栅和沟槽栅两种结构，前者的产品即将问世，后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO两者的某些优点：低的饱和压降，宽的安全工作区（吸收回路容量仅为GTO的1/10左右），低的栅极驱动功率（比GTO低2个数量级）和较高的工作频率。加之该器件采用了平板压接式电极引出结构，可望有较高的可靠性。

11、MOS门控晶闸管

MOS门极控制晶闸管充分地利用晶闸管良好的通态特性、优良的开通和关断特性，可望具有优良的自关断动态特性、非常低的通态电压降和耐高压，成为将来在电力装置和电力系统中有发展前途的高压大功率器件。

12、砷化镓二极管

与硅快恢复二极管相比，这种新型二极管的显著特点是：反向漏电流随温度变化小、开关损耗低、反向恢复特性好。

13、碳化硅与碳化硅（SiC）功率器件

在用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅（SiC）功率器件。它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级，碳化硅与其他半导体材料相比，具有下列优异的物理特点：高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率。而且，SiC器件的开关时间可达10nS量级，并具有十分优越的FBSOA。

而从发展历程看，功率半导体器件先后经历了：全盛于六七十年代的传统晶闸管、近二十年发展起来的功率MOSFET及其相关器件，以及由前两类器件发展起来的特大功率半导体器件，它们分别代表了不同时期功率半导体器件的技术发展进程。

概括来说，功率半导体器件主要有功率模组、功率集成电路（即Power IC，简写为PIC，又称为功率IC）和分立器件三大类；其中，功率模组是将多个分立功率半导体器件进行模块化封装；功率IC对应将分立功率半导体器件与驱动/控制/保护/接口/监测等外围电路集成；而分立功率半导体器件则是功率模块与功率IC的关键。

这些功率器件在各自不同的领域发挥着各自重要的作用。不同功率半导体器件，其承受电压、电流容量、阻抗能力、体积大小等特性也会不同，实际使用中，需要根据不同领域、不同需求来选用合适的器件。

随着技术的不断进步，功率半导体器件在不断演进。自上世纪80年代起，功率半导体器件MOSFET、IGBT和功率集成电路逐步成为了主流应用类型。

目前，国际电力电子市场以年均15%的速度增长，电力电子器件的主要供应商集中在美国、日本以及欧洲，以硅基功率MOSFET和IGBT为代表的场控型器件占据国际市场的主导地位，其中IGBT更是有高达30%的年均增长率。而SiC和GaN等新型材料电力电子器件，受到时间、技术成熟度和成本的制约，尚处于市场开拓初期，但前景不可小觑。