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开关电源功率半导体器件
gudongkeji 发表于 2012/9/28 18:50:43 1014 查看 1 回复 [上一主题] [下一主题]
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在过去的20多年，出现了一些新功率半导体开关器件和功率模块，在如功率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MOSFET1979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 ，使电力电子电路如开关电源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IGBT1982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半导体器件的材料。