电力电子器件的发展现状和技术对策

电力电子器件的发展现状和技术对策2005-7-18摘要：叙述T电力电子器件的发展现状、主要技术和应用状况，并讨论了今后的发展方向。关键词电力电子器件，功率MOSFET，功率ICl引言电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中功率半导体器件和IC是电力电子技术的重要基础.近年来一直发展很快，其应用已橙盖了工业、民用、通信、交通等各个领域。分立功率器件能处理越来越高的电流和电压;功率lC中已将CMOS、高性能双极和高压功率输出器件组合在同一个芯片上，并可实现多种自检测和自保护功能。此外.还研制了多种MOS控制功率器件，它们可以很容易地与CMOS控制电路接口，并且提高了阻断电压和电流处理容量。在器件和IC设计方面，CAD技术和模拟技术已由实验室走向实用。在工艺方面，介质隔离技术的研究取得了较大的进展，它的应用范围已从最初的通信扩展到电机控制和汽车等领域。在器件结构方面，使用RESURF技术和场限环来增大击穿电压，推进了横向集成器件的研究。本文将叙述国外电力电子器件的基本状况和发展i金径，并以功率MOSFET、IGBT、MOS门极晶闸管和功率IC为重点，介绍这些新型器件的产品性能及应用状况，最后将对我国电力电子器件的发展提出几点看法。2电力电子器件的发展途径和应用前景从复合型晶体管发明以来，以晶闸管和双极晶体管为主干，发展了GTO、功率MOSFET、SIT、SITH、IGBT、MCT、功率集成电路等分枝，在各个领域中已得到广泛的应用。各种器件的允许功率和工作频率如图1所示。庞大的SCR和双极晶体管市场，很大部分已被这些新的器件所取代。图1功率半导体器件的允许功率和工作硕率十多年来，电力电子器件大致经历了三个发展阶段，也即有三个主要的发展途径:提高器件的电流、电压容量是一个贯穿始终的目标;从80年代初期开始，在低功耗、多功能方面也作了很多努力;从1988年开始，又提出了智能化的要求。下面将简要介绍在这三个方面所取得的进展。2.1大容量化功率器件的大容量化与其适用的频率有很大关系，随功率变换装置的控制方式从PAM(脉幅调制)进展到正弦波PWM(脉宽调制)方式，领率也提高到ZokHz以上。与此相应，GTR(包括单个双极晶体管、达林顿管和GTR模块)代替了过去的SCR，可覆盖耐压1500v、电流100OA以下的领域。但在此容量以上时，由于GTR中hr。降低和饱和压降增大的问题更为突出，GTO和SCR就成了主流器件。目前，随IGBT等MOS复合器件的大容量化，即使过去认为是GTO领域的工业用电源和电车等也正在扩展到IGBT的应用范围。2.2低功耗、多功能化从低功耗方面考虑，双极晶体管比起GTO来关断增益高，反向偏置驱动电路简单，因此普及较早。进而出现了正向驱动电路也能简单化的MOSFET。MOSFET有优良的开关性能，在耐压较低的情况下(如300V以下)导通电压也低，但由于是单极器件，不会产生电导率调制，在高耐压情况下有导通电压急剧增大的缺点，因此不可能全面替代双极晶体管。具有MOS结构的双极器件IGBT兼有两种器件的优点，作为在功率MOSFET所不能达到的应用领域内的器件而快速发展。它的频率可达到15kHz以上，在PwM控制的低噪声逆变器中起了主要作用。但与过去skH:驱动的双极逆变器比较，开关损耗大，冷却用散热片也需增大，效率低，这些问题在IGBT的普及中是个大的障碍。为了改善这种状况，最近开发了第三代IGBT，在具有高速开关特性的同时，饱和电压达到与双极晶体管相当的ZV以下的水平，几乎接近IGBT的理论极限。今后还将采用开关性能与第三代IGBT相当、饱和电压进一步降低到IV左右的新型器件，如MOS「1极晶闸管等。2.3智能化最近几年除了开发及改进主电路功率部分中的功率器件外，包括外国控制电路和保护电路的智能功率IC的开发也很活跃。其主要方法一个是单片方式的智能功率IC，另一个是混合方式的智能功率模块。前者最初用低压MOSFET为主要器件，多用于汽车工业，最近以高耐压IGBT作主要器件的高压功率IC也已发表，适用于容量较小的功率变换装置和功率器件驱动电路等。后者最初以双极晶体管为主要器件，最近以IGBT为主要器件的智能功率模块也己实用化，已在从l马力驱动的家庭用空调逆变器到工业用中、大容量逆变器中应用。今后随着功率器件性能的提高及需方对于设计时间短、组装工艺简单、装置小而轻等的要求，智能化器件的意义也将越来越大。关于将来的技术，预测起来比较困难。但我们知道，新的功率器件的普及与功率变换装置的控制方式有密切关系。同时事实也表明，逆变器控制方式的变化与开关电源控制方式的变化相类似。但时间要晚几年至10年左右。比如最近从降低开关损耗的观点出发，谐振型开关电源的普及进展很快，推断今后在逆变器领域中也将采用谐振型方式。因此可以确信，开发适应新的控制方式的功率器件将是一个长期的任务。3新型电力电子器件的特点及产品性能下面将以功率MOSFET、IGBT、M()51’1极晶闸管和功率IC为代表，介绍这些器件的特点、产品性能和应用范围。3.1功率M()SFET各种器件由于基本原理的不同，都有其特有的优、缺点。功率MOSFET是单极型电压控制器件，驱动功率小;仅由多数载流子导电，无少子存贮效应，高频特性好;没有二次击穿的问题，安全工作区广，耐破坏性强;具有热稳定性，抗干扰能力强。再加上容易用CAD方式设计，适于大量生产等特点，它早已成为电力电子领域中的实用器件。但是，由于没有电导率调制，导通电阻高，特别在高耐压产品中更为明显。目前，产品的最高耐压为1500v。功率MOsFET主要指纵型器件，这些器件大电流特性好，可用于开关电源、DC一r例乙转换器、荧光灯照明用电子镇流器、显示监控器、不间断电源装置及马达控制用逆变器等.横型MOS器件具有良好的高频特性，也已在13.skHz工业电力及高频汽车电话中应用。功率MOSFET中，耐压(漏一源击穿电压VI。)与导通电阻的关系如图2所示。图中示出了第三代功率MOSFET的实际值、产品极限曲线及理论极限值。表l示出了不同耐压的功率MOSFET特性及其应用领域。表2为第三代H系歹，1(15oV以上)功率MOSFET特性。表3为最近开发的第三、四代I，系列(120V以下)功率MOSFET的特性(分别为4V驱动和2.SV驱动)。3.2ICBTIGBT是将MOSFET的高速开关及电压驱动特性与双极晶体管的低饱和特性综合在一个芯片上面构成的功率器件，是最近电力电子领域中最引人注目的器件之一。由于设计最佳化及近年来应用了大容量存储器的工艺技术，特性有了很大改善，其应用已超出了过去双极晶体管及功率MOSFET的范围。自从该器件被用于低噪声逆变器以来，作为高速大功率器件，在伺服马达、空调、UPS、D一D变换器、有源滤波器等装置中已使用，最近还扩展到了汽车、家电、照相机内藏闪光灯等领域。现在已批量生产的IGBT，几乎全部采用纵形二次扩散的n沟结构。图3对照了功率M〔〕SFET和IGBT的基本构造。两者结构相似，只是功率MOSFET中漏极侧为n“层，而IGBT集电极侧为p，层。由于IGBT增加了一个p一n结，导通时由p冲层向n一层注入的空穴吸引电子，使n一层的电子密度增加，n一层的电阻急减(电导率调制)，这样，就形成IGBT的饱和电压低的特点。但是，由于这个结构而产生了寄生的pnpn晶闸管，在特定条件下导通时，有时会失去门极控制功能，发生锁定现象。自从无锁定IGBT模块商品化以来，除了一部分用途外，实际使用上还没有什么障碍。IGBT的静态特性和开关特性都与功率MOSFET类似，但由于有空穴注入，在开关波形中会出现空穴注入滞后及拖尾电流等问题。前者在空穴注入少的情况下发生，影响了特别高速的导通;后者在空穴注入多的情况下发生，使在高领开关中损耗增大。因此，在拖尾电流、导通电压及空穴注入滞后之间存在折衷关系。现在生产的ICBT导通电压多在2~4V，由干是低导通电压，稍微调整了拖尾电流的残留程度。另外，由干构造的不同，IGBT还会产生短路耐量小的问题，因此设计驱动电路时还必须注意短路耐量与功率损耗的折衷等间题。图4示出了第一代至第三代60oV系列IGBT饱和电压与开关特性的关系。第一代IG-BT的饱和电压差不多处于MOSFET和双极晶体管的中间值，约为3.SV.在第三代产品中，饱和电压减小到ZV左右，与双极晶体管相近。关断下降时间也从第一代产品的0.25拌、改进到第三代产品的0.15娜，关断时的开关损耗也得到改善。另外，在第三代产品中，内藏高速二极管的恢复时间和恢复电流也约降低一半，再加上软恢化，使IGBT导通时的损耗也得到大幅度改善。通过以上各种改进，使得IGBT作为高频开关而产生的总功耗(包括导通、关断损耗及IGBT和二极管中的正常功耗)大幅度降低。第三代产品的总功耗约降至第一代产品的一半左右。目前IGBT的产品已系列化，从600V/SA至1200v/6o0A的器件都已有售，产品中最高耐压为1400V，耐压为1700V至1800V的器件也在研制中。表4举例说明各种耐压(集电极一发射极击穿电压V‘。R，cf:o)的IGBT的特性及其应用领域。和构造图。M()SFET。和MOSFET:的栅互相连接但极性不同(构成MCT的门极)，其中一个控制导通.另一个控制关断。MOS门极晶l坷管综合了MOSFET与GTO的优点，既具有高的阻断电压和大的电流容量，又能实现快速开关。对于10o0V/100A的器件，关断时间可缩短至l!2拼50除了在一个芯片上组合这两种器件外，也进行了将SCR与MOSFET串联来实现既有高的耐压性.又有高速性的复合器件的试验.包括驱动部分的实际电路如图6所示。对于50oV、3o0A的开关，关断时间缩短到原来GT()(I勺十分之一(l“、)。目前MCT产品化已取得较大进展.从sooV/soA到l000V/l。()八器件已系歹IJ化。目前已报导的器件阻断电压最高达3500V，峰值电流达I000A.最大关断电流密度为6000A/C111一。此外.也研究了其他的MOS控制器件，如EST(EmitterSwitcl，edl’hyri、tor)和BRT(Ba、eR。、istanceCon:rolledThyri、tor)，这些器件也是用双扩散MOS工艺制造的。最近还报导了一仲用3MeV电子辐射而得到的快速开关、60oV非又寸称EST和BRT器件，关断时间可低至500ns，在马达控制和UPS等需要高速开关的应用中颇有吸引力。3.4功率IC功率IC通常分为智能功率IC(SPIC)和高压功率IC(HVIC)。SPIC是指一个(或几个)具有纵型结构的功率器件与控制和保护电路的集成，它有单片和混合两种方式。随着芯片制造技术的改进及输出器件导通电阻和热阻的降低，单片方式的成本一效益将越来越高，因此目前所用的许多模块，特别是具有较高功率级别的模块，今后可能由单片方式来取代。SPIC的电流容量大，常用于电压调节器、汽车用功率开关、马达驱动等方面。HVIC由多个高压器件与低压模拟或逻辑电路集成在单片上形成，其功率器件是横向的，电流能力较低，常用于平板显示驱动、电话交换机用户电路及小型马达驱动等需要电压较高的地方。隔离技术是实现功率IC的一个关键技术。自隔离和结隔离在技术上已很成熟，介质隔离法绝缘性能好、设计容易，但工艺复杂，过去多在高压通信IC中应用，今后期望在高压、大电流智能功率IC中得到更多的应用。另外，对于高压IC，也开发了称为RESURF的电场缓和技术，并实现了1200V的高压输出。功率lC的应用正在不断扩大，有人预言它将渗入到目前功率器件所涉及的全部范围.功率IC产品(包括定制产品及标准产品)品种很多，销售额也以每年20%的速度递增。下面简要介绍几种智能功率I(二产品。(”美国国家半导体公司的LM1951，日立公司的HA137oZA和}IA13703A，西门子公司的BTS叹1ZA和BTS吸32等。这些IC具有对短路‘、过热、过载及对反向电压、过压和欠压状态的自保护功能，大部分具有自诊断功能。其功率器件的电