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1、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IC l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
2、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MO
3、S FET、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
4、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1 500v、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
5、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
6、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MOS1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
7、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()511极晶闸
8、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
9、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)。 3.2 ICBT IGBT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
10、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MSFET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
11、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
12、在生产的ICBT导通电压多在24V，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
13、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
14、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/ C 111一。 此外.也研究了
15、其他的MOS控制器件，如EST(Emitter Switcl，edlhyri、tor)和BRT (Ba、eR。、istance Con:rolled Thyri、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(S PIC)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
16、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RES
17、URF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LM 1951，日立公司的HA137oZA和IA13703A，西门子公司的BTS叹1 ZA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。其功率器件的电流额定值范围为几A12A，采用5引线TO一220封装，用于汽车高侧驱动开关。 (2)义S一Thomson公司的I
18、J628o。这是一个用于马达和螺线管控制的单片三通道驱动器系统。该芯片使用多功率输出BCD技术，将15个vDMOsFET和用作控制、保护和接口电路的4000个其他晶体管组装在一个芯片上，可以处理直到6oV的电压。该lC具有对功率失效、过热、过电流的保护功能，还有一个防止CPU失效，同时又不会丢失数据的监视控制器。该芯片组装在妞管脚的PI刀C中，不需要散热片。 (3)日本新电元工业公司最近研制的MTDI 1 10(单极方式)，MTD2001(双极方式)。这是用干中、小型步进马达驱动的专用运动控制IC，与CPU直接连接，具有过热保护及向外部发出警告信号的功能。内藏散热片封装。可处理的电流电压范围分
19、别达ZA、85V及1 .SA、60V。 4结语和建议 上面叙述了国外电力电子器件的发展途径、目前水平和所采取的技术对策。近年来，我国在电力电子器件及应用技术方面也取得了较大进展。采用GTR、功率MOSFET或SIT的日光灯用高领电子镇流器已投入批量生产。在高颇感应加热装置中，用功率MOsFET、GTO 和SITH等取代真空管的技术改造工作也在进行.研制并生产了输出功率达数十kw、工作频率20300kH:的高频加热电源.另外，也开发了计算机和通信用稳压电源、中小功率交流电机变频调速装置、直流电机斩波调速装置等。但总的来看，与国外水平还有很大差距，特别是在作为电力电子技术基础的功率器件和IC上，还
20、远不能满足需要。例如，我国从80年代末引进GTO生产技术，目前达Z000A/2500V的水平，而国外已做出T l000oA/s000V的器件。我国IGBT的研制还处于初级阶段，MCT和智能功率IC的研制才列入计划。根据目前的情况，认为我国在电力电子器件技术方面，应作以下几项工作:消化吸收GTO、GTR引进技术，扩大生产，提高性能。研制并批量生产功率MOSFET、SIT、SITH，使其能逐步满足国内需要。重点加强IGBT的研制开发工作。进行新器件(MCT等)及功率lC的预研工作。继续进行介质隔离等工艺技术及CAD、材料和封装等相关技术的研究。开展应用技术的研究，使产品能更快投入实用。 电力电子技术是一项有关国计民生的重要技术，将功率半导体器件用于电力的控制和变换装置，实现装置的小型、节能化，是解决我国能源紧张、降低材料消耗、提高生产效率的一个重要途径，目前已得到政府有关部门的重视和支持。期望在今后十年内电力电子器件技术能得到更快的发展，缩小与美、日等国的差距，为促进我国机电一体化及其他高新技术的发展作出贡献。 参考文献 1.电子技术(日)功率器件专集.1992，3难(6) 2.电子技术(日).1993，35(3) 3.】SPS口91伪l年功率半导体器件及IC国际会议论文集) 4.】SPS口92(92年功率半导体器件及Ic国际会议论文集)
