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开关电源功率半导体器件

作者:时间:2012-09-09来源:网络收藏

  在过去的20多年,出现了一些新半导体开关器件和模块,在如MOS-FET,绝缘栅双极晶体管IGBT,碳化硅(SiC)器件等领域都有 了不同程度的新进展(以下未特别注明的MOSFET、IGBT或IGCT等,均是指用硅晶片制成的)。

  1)功率MOSFET

  1979年,功率MOSFET场效应晶体管问世。由于它的输入阻抗高、开关速度快和热稳定性好,可以完全代替功率晶体管GTR和中小电流的晶闸管 ,使电力电子电路如实现高频化成为可能。其电压电流定额已经达到了500V/240 A、1500V/200 A。功率MOSFET的特点是开关损耗小, 但是通态功耗大,而且功率MOSFET的击穿电压UB越高,通态电阻RDS(on)越大。以理想的N沟道功率MOSFET为例,通态电阻RDS(on)和击穿电压UB 有如下关系:

  1989年,Infineon公司推出冷MOS管(Cco1 MCGFET),它采用了超级结(Super-Junction)结构,故又称做超结功率MOSFET,工作电压为600~ 800V,通态电阻几乎降低了一个数量级,但仍保持着开关速度快的特点,是一种具有发展前途的高频功率半导体开关器件。

  2)绝缘栅双极晶体管IGBT

  1982年,B.J.Ba1iga将双极晶体管和功率MOSFET技术组合在一起,成功地开发出第-个绝缘栅双极晶体管,取名为IGT(Insulated Gate Transistor),后来国际电力电子界通称为GBT(Insu1ated Gate Bipo1ar Transistor)。它是将MOS门极(栅极)的优良输人特性和双极晶体管的 良好输出特性的功能集成在一起构成的。它的通态压降小、电流密度大,完全可以代替功率晶体管GTR和中小电流的晶问管,成为公认的最有发 展前景的一种电力电子半导体开关器件。

  IGBT的技术进展,实际上是通态压降、快速开关和高耐压能力三者的折中。IGBT的门极结构有平面型和沟型两种。随着工艺和结构形式的不 同,在⒛多年的历史发展进程中,开发的IGBT有以下几种类型:穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、软穿通(SPT)型、沟槽型和电场截止(PS)型等。 IGBT的未来发展方向是:①逆阻型IGBT模块、减小输人电流畸变;②最佳模块组合,减小通态噪声;③控制du/dt和di/dt的能力,减少噪声发 射。

  据报道,IGBT则出现时,电压电流的额定值只有600V/25 A。在很长的一段时间内耐压水平都限定在1200~1700 V,经过长时间的探索研究和 改造,现在IGBT的电压电流的额定值已经达到3300V/1200 A、4500V/1800AL等,高压IGBT单片耐压甚至达到6500V。一般IGBT的工作频率上限为 20~40 kHz。基于PT结构、应用新技术所制造的IGBT,可以工作在150kHz(硬开关)和300 kHz(软开关)。

  3)集成门极换流晶间管IGCT

  集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutation Thyristor)是1977年出现的一种新型高电压大电流开关器件,简称IGCT。它利用功率 MOSFET的优点,将MOS技术与晶间管组合。它的损耗比可关断晶闸管GTO小,接线比GTO简单可靠,并可以采用风冷。现在已开始应用于中大型功 率的电力电子变频调速系统,如MW级的变频器、新型的静止式无功功率补偿装置等。

  4500V/4000 A IGCT的参数为工作频率1kHz,正向压降为2.7V,di/dt=1000A/μs。

  4)碳化硅功率半导体开关器件

  碳化硅SiC(Si1icon Carbide)是功率半导体开关器件晶片的理想材料。其优点是:禁带宽、工作温度高(可达600℃)热稳定性好、通态电阻小 、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高,有利于制造出耐高温的高频大功率半导体开关器件。

  现在已经制造出40 mm SiC晶片,1990年已有30 mm SiC晶片上市,在电力电子技术中,开始用SiC器件代替Si器件。例如,SiC肖特基二极管 已有商品问世,定额为300V、600V、1200V/20A,反向恢复时间接近于零,175℃以下SiC肖特基二极管的反向电流几乎不变。

  据《电力电子》杂志2004年第4期报道,已经试制出一批SiC器件样品,如SiC功率MOSFET,定额为:750V/15mA,RDC(on)=66mΩ;1998年研制 出耐压达1400V,通态电阻为311mΩ的SiC功率MOSFET。其他又如SiC晶闸管,950V/16A,通态压降为3.67V;1999年研制出耐压达790V,通态压 降为1.5V,电流密度为75A/cm2的SiC IGBT。

  可以预见,碳化硅将是21世纪最可能成为应用成功的新型功率的材料。



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