大功率半导体器件的研究意义

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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),PowerMOSFET(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、PowerMOSFET、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、PowerMOSFET、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PowerMOSFET、SIT、肖特基势垒二极管;

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

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大功率半导体器件的发展


分立功率器件按照功率的大小划分为大功率半导体器件和中小功率半导体器件。具体来说,大功率晶闸管专指承受电流值在200A以上的晶闸管产品;大功率模块则指承受电流25A以上的模块产品;大功率IGBT、MOSFET指电流超过50A以上的IGBT、MOSFET产品。

1956年美国贝尔实验室(BellLab)发明了晶闸管,国际上,70年代各种类型的晶闸管有了很大发展,80年代开始加快发展大功率模块,同时各种大功率半导体器件在欧美日有很大的发展,90年代IGBT等全控型器件研制成功并开始得到应用。

在国内,60年代晶闸管研究开始起步,70年代研制出大功率的晶闸管,80年代以来,大功率晶闸管在中国得到很大发展,同时开始研制模块;本世纪以来,开始少量引进超大功率晶闸管(含光控晶闸管)技术;近年来国家正在逐步引进IGBT、MOSFET技术。中国宏观经济的不断成长,带动了大功率半导体器件技术的发展和应用的不断深入。

晶闸管、模块、IGBT的发明和发展顺应了电力电子技术发展的不同需要,是功率半导体发展历程中不同时段的重要标志产品,他们的应用领域、应用场合大部分不相同,小部分有交叉。

高电压、大电流、高频化、模块化、智能化的方向发展。在10Khz以下、大功率、高电压的场合,大功率晶闸管和模块具有很强的抗冲击能力及高可靠性而占据优势,同时又因成本较低、应用简单而易于普及。在10Khz以上、中低功率场合,IGBT、MOSFET以其全控性、适用频率高而占据优势。

全球知名半导体制造商ROHM面向工业设备用的电源、太阳能发电功率调节器及UPS等的逆变器、转换器,开发出额定1200V 400A、600A的全SiC功率模块“BSM400D12P3G002”、“BSM600D12P3G001”。

本产品通过ROHM独有的模块内部结构及散热设计优化,实现了600A额定电流,由此,在工业设备用大容量电源等更大功率产品中的应用成为可能。另外,与普通的同等额定电流的IGBT模块相比,开关损耗降低了64%(芯片温度150℃时),这非常有助于应用的进一步节能。不仅如此,由于可高频驱动,还有利于外围元器件和冷却系统等的小型化。例如,根据冷却机构中的损耗仿真进行计算,与同等额定电流的IGBT模块相比,使用SiC模块可使水冷散热器的体积减少88%。

 

国内外功率半导体器件的发展

 
在特高压直流输电技术需求的驱动下,我国以晶闸管为代表的半控型器件技术已经成熟,水平居世界前列,6英寸的晶闸管已广泛用于高压直流输电系统,并打入国际市场,形成了国际竞争力。

硅基IGBT器件

国际上,2500V以上大功率IGBT主要供货商有英飞凌、ABB、三菱和东芝。ABB致力于器件开发、装置研制及工程应用,焊接型IGBT已有6500V/750A、3300V/1500A和1700V/3600A系列;压接型IGBT已有4500V/2000A、4500V/3000A系列,4500V/2000A已有工程应用,4500V/3000A仍处于试用与推广阶段。东芝的压接型IGBT采用圆形陶瓷管壳封装,主要有4500V/1500A和4500V/2100A系列,4500V/1500A在南澳柔性直流工程有应用。

国内,研究机构与国内的芯片代工厂合作开发出3300V~6500V系列IGBT和FRD芯片。有一两家企业已独立开发出3300V/1200A,3300V/1500A,4500V/1200A系列焊接型IGBT产品并已得到不同程度的批量应用,目前正开发3300~4500V/2000~3000A压接型IGBT。

总体来看,以ABB为代表的国际大公司在高压大功率IGBT方面一直处于引领者的地位,其器件技术水平比国内要领先一代左右,在市场占有方面处于垄断地位。而国内功率半导体研发制造企业只在一些单项技术方面取得了突破,尚未实现全产业链的整体突破,尚不具备与国外大公司相抗衡的能力。

SiC器件

与传统硅器件相比,SiC器件有着更加优良的综合性能,如高电压、高结温等。20世纪90年代,美国、日本和德国就开始对SiC材料和功率器件相关技术进行研究,各种SiC功率器件相继问世。在SiC材料方面,SiC材料微孔问题已得到解决,SiC衬底材料已由4英寸逐渐过渡到6英寸。在SiC器件方面,国外SiC中低压器件已实现产品化,高压器件还处于样品研发与试用阶段。CREE和ROHM已推出1.2kV/300A全SiC模块产品,三菱公司研发出1.7kV/1200A混合模块和3.3kV/1500A全SiC功率模块样品。在SiC器件高压应用方面,CREE、POWEREX和GE联合研制一台基于SiC-MOSFET的容量为1MVA、开关频率达20kHz的单相电力电子变压器。

国内在SiC材料方面,已研制出6英寸SiC衬底样品;外延方面,4~6英寸外延材料已初步形成产品;SiC器件方面,已研制出1.2kV/200A半桥结构的全SiC功率模块,3.3kV/600A混合模块样品;SiC器件高压应用方面,已研制出基于SiCMOSFET的200kVA换流器样机。

在SiC器件领域,国外大公司仍是行业主导,在中低压中小功率SiC器件方面已形成完整产业链,出货量呈倍增态势,正在步入成熟期。国内现阶段基本以研究为主,集中于SiC技术链条中的个别点上进行攻关,总体看综合实力不强,在材料和外延方面尚存在短板,与国际先进水平还有一定差距。

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功率半导体器件的研究意义


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。

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