功率半導體器件概述

　　電力電子器件（PowerElectronicDevice）又稱為功率半導體器件，主要用于電力設備的電能變換和控制電路方面大功率的電子器件（通常指電流為數十至數千安，電壓為數百伏以上）。

　　功率半導體器件分類

　　按照電力電子器件能夠被控制電路信號所控制的程度分類：

　　1.半控型器件，例如晶閘管；

　　2.全控型器件，例如GTO（門極可關斷晶閘管）、GTR（電力晶體管），MOSFET（電力場效應晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）；

　　3.不可控器件，例如電力二極管；

　　按照驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質分類：

　　1.電壓驅動型器件，例如IGBT、MOSFET、SITH（靜電感應晶閘管）；

　　2.電流驅動型器件，例如晶閘管、GTO、GTR；

　　根據驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間的有效信號波形分類：

　　1.脈沖觸發(fā)型，例如晶閘管、GTO；

　　2.電子控制型，例如GTR、MOSFET、IGBT；

　　按照電力電子器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分類：

　　1.雙極型器件，例如電力二極管、晶閘管、GTO、GTR；

　　2.單極型器件，例如MOSFET、SIT；

　　3.復合型器件，例如MCT（MOS控制晶閘管）、IGBT、SITH和IGCT；

　　功率半導體器件優(yōu)缺點分析

　　電力二極管：結構和原理簡單，工作可靠；

　　晶閘管：承受電壓和電流容量在所有器件中最高

　　IGBT：開關速度高，開關損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅動，驅動功率小；缺點：開關速度低于電力MOSFET，電壓，電流容量不及GTO

　　GTR：耐壓高，電流大，開關特性好，通流能力強，飽和壓降低；缺點：開關速度低，為電流驅動，所需驅動功率大，驅動電路復雜，存在二次擊穿問題

　　GTO：電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導調制效應，其通流能力很強；缺點：電流關斷增益很小，關斷時門極負脈沖電流大，開關速度低，驅動功率大，驅動電路復雜，開關頻率低

　　MOSFET：開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小且驅動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題；缺點：電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。

　　制約因素：耐壓，電流容量，開關的速度。

　　功率半導體模塊的重要器件介紹

　　1、高壓晶閘管

　　2、用于未來能量轉換中的igbt和快速開關二極管

　　3、采用超級結技術的超高速開關器件

　　4、應用于高功率電源的sic元件

　　功率半導體模塊的發(fā)展趨勢

　　功率電子模塊的集成度。半導體模塊之間的差異，不僅僅體現在連接技術方面。另一個差別因素是附加有源和無源器件的集成度。根據集成度不同，可分為以下幾類：標準模塊，智能功率模塊（ipm），（集成）子系統(tǒng)。在ipm被廣泛使用（尤其在亞洲地區(qū)）的同時，集成子系統(tǒng)的使用只剛剛起步。

　　1、智能功率模塊

　　智能功率模塊的特點在于除了功率半導體器件外，還有驅動電路。許多ipm模塊也配備了溫度傳感器和電流平衡電路或用于電流測量的分流電阻。通常智能功率模塊也集成了額外保護和監(jiān)測功能，如過電流和短路保護，驅動器電源電壓控制和直流母線電壓測量等。

　　然而，大部分智能功率模塊沒有對功率側的信號輸入進行電氣隔離。只有極少數的ipm包含了一個集成光耦。另一種隔離方案是采用變壓器進行隔離。

　　通常，小規(guī)模的ipm的特點在于其引線框架技術。穿孔銅板用作功率開關和驅動ic的載體。通過一層薄薄的塑料或絕緣金屬板進行散熱。

　　用于中高功率應用的ipm模塊的設計特點是將模塊分為兩個層次。功率半導體在底部，驅動器和保護電路在上部。本領域內名氣最大的ipm是賽米控的skiip？，已面市超過了10年。這種無底板ipm系列產品的最大額定電流是2400a，包括一個驅動器和保護功能，加上電流傳感器、電氣隔離和電源。這些模塊裝在風冷或水冷冷卻器上，并在供貨前進行全面的測試。

　　一個有趣的趨勢是將標準模塊升級為ipm。可直接或使用帶驅動電路（通過彈簧連接）的適配器板來進行升級。賽米控的skypertm驅動器是這方面理想的產品。

　　2、集成子系統(tǒng)

　　所有這些ipm的共同點是真實的“智能”，即將設定點值轉換成驅動脈沖序列的控制器不包含在模塊中。賽米控是250kw以下轉換器用集成子系統(tǒng)的核心制造商。skaitm模塊也是ipm，其特點是集成了dsp控制器，除脈寬調制外，還可進行其它通信任務。這些子系統(tǒng)也包含集成直流環(huán)節(jié)電容器，一個輔助電源，精密電流傳感器和一個液體冷卻器。

　　功率半導體器件的基本功能和用途

　　功率半導體器件（PowerSemiconductorDevice），也可以叫做電力半導體器件。電力電子技術離不開電力電子變換器（PowerConverter）。電力電子變換器是進行電力特征形式變換的電力電子電路和裝置的總稱，它有如下4種基本模式：直-交（DC/AC）逆變模式、交-交（AC/AC）變頻模式、交-直（AC/DC）整流模式和直-直（DC/DC）變換模式。

　　電力電子變換器的形式多種多樣，但一般以功率半導體器件、不同拓撲形式的電路和不同的控制策略作為基本組成元素，也稱為“變換器三要素”。圖1為一個典型的電力電子變換器示意圖。

　　功率半導體器件是電力電子技術及其應用裝置的基礎，是推動電力電子變換器發(fā)展的主要源泉。功率半導體器件處于現代電力電子變換器的心臟地位，它對裝置的可靠性、成本和性能起著十分重要的作用。40年來，普通晶閘管（Thyristor，SCR）、門極關斷晶閘管（GTO）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）先后成為功率半導體器件的發(fā)展平臺。能稱為“平臺”者，一般是因為它們具備以下幾個特點：①長壽性，即產品生命周期長；②滲透性，即應用領域寬；③派生性，即可以派生出多個相關新器件家屬。

　　電力電子變換器的功率等級覆蓋范圍非常廣泛，包括小功率范圍（幾W到幾kW），如筆記本電腦、冰箱、洗衣機、空調等；中功率范圍（10kW到幾MW），如電氣傳動、新能源發(fā)電等；大功率范圍（高達幾GW），如高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)等。

　　電力電子變換器的應用領域越來越廣泛，同時也對功率半導體器件提出了更高的性能需求。繼前些年推出集成門極晶閘管（IGCT）和電子注入增強型柵極晶體管（IEGT）后，如今采用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）材料的新型功率器件已經應運而生。目前，功率半導體的發(fā)展主要是其功率承受能力和開關頻率之間的矛盾，往往功率越大，耐壓越高，允許的開關頻率就越低。從功率半導體器件的個體來說，大功率和高頻化仍是現階段發(fā)展的兩個重要方向。

　　功率半導體器件應用需要考慮大功率電路應用的特性，如絕緣、大電流能力等，在實際應用中，以動態(tài)的“開”和“關”為運行特征，一般不運行在放大狀態(tài)。由功率半導體器件構成的電力電子變換器實施的是電磁能量轉換，而不是單純的開/關狀態(tài)，它的很多非理想應用特性在電力電子變換器中起著舉足輕重的作用。要用好功率半導體器件，既要熟悉電力電子變換器的拓撲，更要充分掌握器件本身的特性。