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    常見功率半導體器件匯總-功率器件優缺點及市場分析-KIA MOS管

    信息來源:本站 日期:2019-10-14 

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    常見功率半導體器件匯總-功率器件優缺點及市場分析

    功率半導體器件簡介

    電力電子器件(Power Electronic Device),又稱為功率半導體器件,用于電能變換和電能控制電路中的大功率(通常指電流為數十至數千安,電壓為數百伏以上)電子器件??梢苑譃榘肟匦推骷?、全控型器件和不可控型器件,其中晶閘管為半控型器件,承受電壓和電流容量在所有器件中最高;電力二極管為不可控器件,結構和原理簡單,工作可靠;還可以分為電壓驅動型器件和電流驅動型器件,其中GTO、GTR為電流驅動型器件,IGBT、電力MOSFET為電壓驅動型器件。


    功率半導體器件是集成電路一個非常重要的組成部分,市場空間有400多億美元,從大方面講有200多億美元是功率IC,還有100多億是功率器件。手機充電器,手機當中都會有功率器件。功率器件主要的部分,體量比較大的是IGBT。把IGBT、VDMOS做好,就是一個很好的硬件廠商。IGBT模塊是雙子器件,它的特點是頻率低一點,但是能量密度稍微大一點。所以像在新能源汽車,軌道交通應用得更廣泛。


    功率半導體器件優缺點

    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,通態壓降較低,輸入阻抗高,為電壓驅動,驅動功率??;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


    電力MOSFET:開關速度快,輸入阻抗高,熱穩定性好,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


    常用功率半導體器件匯總

    1.MCT(MOSControlledThyristor):MOS控制晶閘管


    功率,功率半導體器件

    MCT的等效電路圖


    MCT是一種新型MOS與雙極復合型器件。如上圖所示。MCT是將MOSFET的高阻抗、低驅動圖MCT的功率、快開關速度的特性與晶閘管的高壓、大電流特型結合在一起,形成大功率、高壓、快速全控型器件。實質上MCT是一個MOS門極控制的晶閘管。它可在門極上加一窄脈沖使其導通或關斷,它由無數單胞并聯而成。它與GTR,MOSFET,IGBT,GTO等器件相比,有如下優點:


    (1)電壓高、電流容量大,阻斷電壓已達3000V,峰值電流達1000A,最大可關斷電流密度為6000kA/m2;


    (2)通態壓降小、損耗小,通態壓降約為11V;


    (3)極高的dv/dt和di/dt耐量,dv/dt已達20kV/s,di/dt為2kA/s;


    (4)開關速度快,開關損耗小,開通時間約200ns,1000V器件可在2s內關斷;


    2.IGCT(IntergratedGateCommutatedThyristors)

    IGCT是在晶閘管技術的基礎上結合IGBT和GTO等技術開發的新型器件,適用于高壓大容量變頻系統中,是一種用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導體器件。


    功率,功率半導體器件


    IGCT是將GTO芯片與反并聯二極管和門極驅動電路集成在一起,再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接,結合了晶體管的穩定關斷能力和晶閘管低通態損耗的優點。在導通階段發揮晶閘管的性能,關斷階段呈現晶體管的特性。IGCT芯片在不串不并的情況下,二電平逆變器功率0.5~3MW,三電平逆變器1~6MW;若反向二極管分離,不與IGCT集成在一起,二電平逆變器功率可擴至4/5MW,三電平擴至9MW。


    3.IEGT(InjectionEnhancedGateTransistor)電子注入增強柵晶體管

    IEGT是耐壓達4kV以上的IGBT系列電力電子器件,通過采取增強注入的結構實現了低通態電壓,使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發展。IEGT具有作為MOS系列電力電子器件的潛在發展前景,具有低損耗、高速動作、高耐壓、有源柵驅動智能化等特點,以及采用溝槽結構和多芯片并聯而自均流的特性,使其在進一步擴大電流容量方面頗具潛力。


    另外,通過模塊封裝方式還可提供眾多派生產品,在大、中容量變換器應用中被寄予厚望。日本東芝開發的IECT利用了電子注入增強效應,使之兼有IGBT和GTO兩者的優點:低飽和壓降,安全工作區(吸收回路容量僅為GTO的十分之一左右),低柵極驅動功率(比GTO低兩個數量級)和較高的工作頻率。器件采用平板壓接式電機引出結構,可靠性高,性能已經達到4.5kV/1500A的水平。


    4.IPEM(IntergratedPowerElactronicsModules):集成電力電子模塊

    IPEM是將電力電子裝置的諸多器件集成在一起的模塊。它首先是將半導體器件MOSFET,IGBT或MCT與二極管的芯片封裝在一起組成一個積木單元,然后將這些積木單元迭裝到開孔的高電導率的絕緣陶瓷襯底上,在它的下面依次是銅基板、氧化鈹瓷片和散熱片。在積木單元的上部,則通過表面貼裝將控制電路、門極驅動、電流和溫度傳感器以及保護電路集成在一個薄絕緣層上。IPEM實現了電力電子技術的智能化和模塊化,大大降低了電路接線電感、系統噪聲和寄生振蕩,提高了系統效率及可靠性。


    5.PEBB(PowerElectricBuildingBlock)


    功率,功率半導體器件


    電力電子積木PEBB(PowerElectricBuildingBlock)是在IPEM的基礎上發展起來的可處理電能集成的器件或模塊。PEBB并不是一種特定的半導體器件,它是依照最優的電路結構和系統結構設計的不同器件和技術的集成。典型的PEBB上圖所示。雖然它看起來很像功率半導體模塊,但PEBB除了包括功率半導體器件外,還包括門極驅動電路、電平轉換、傳感器、保護電路、電源和無源器件。


    PEBB有能量接口和通訊接口。通過這兩種接口,幾個PEBB可以組成電力電子系統。這些系統可以像小型的DC-DC轉換器一樣簡單,也可以像大型的分布式電力系統那樣復雜。一個系統中,PEBB的數量可以從一個到任意多個。多個PEBB模塊一起工作可以完成電壓轉換、能量的儲存和轉換、陰抗匹配等系統級功能,PEBB最重要的特點就是其通用性。


    6.超大功率晶閘管

    晶閘管(SCR)自問世以來,其功率容量提高了近3000倍?,F在許多國家已能穩定生產8kV/4kA的晶閘管。日本現在已投產8kV/4kA和6kV/6kA的光觸發晶閘管(LTT)。美國和歐洲主要生產電觸發晶閘管。近十幾年來,由于自關斷器件的飛速發展,晶閘管的應用領域有所縮小,但是,由于它的高電壓、大電流特性,它在HVDC、靜止無功補償(SVC)、大功率直流電源及超大功率和高壓變頻調速應用方面仍占有十分重要的地位。預計在今后若干年內,晶閘管仍將在高電壓、大電流應用場合得到繼續發展。


    現在,許多生產商可提供額定開關功率36MVA(6kV/6kA)用的高壓大電流GTO。傳統GTO的典型的關斷增量僅為3~5。GTO關斷期間的不均勻性引起的“擠流效應”使其在關斷期間dv/dt必須限制在500~1kV/μs。為此,人們不得不使用體積大、昂貴的吸收電路。另外它的門極驅動電路較復雜和要求較大的驅動功率。到目前為止,在高壓(VBR>3.3kV)、大功率(0.5~20MVA)牽引、工業和電力逆變器中應用得最為普遍的是門控功率半導體器件。目前,GTO的最高研究水平為6in、6kV/6kA以及9kV/10kA。為了滿足電力系統對1GVA以上的三相逆變功率電壓源的需要,近期很有可能開發出10kA/12kV的GTO,并有可能解決30多個高壓GTO串聯的技術,可望使電力電子技術在電力系統中的應用方面再上一個臺階。


    7.脈沖功率閉合開關晶閘管

    該器件特別適用于傳送極強的峰值功率(數MW)、極短的持續時間(數ns)的放電閉合開關應用場合,如:激光器、高強度照明、放電點火、電磁發射器和雷達調制器等。該器件能在數kV的高壓下快速開通,不需要放電電極,具有很長的使用壽命,體積小、價格比較低,可望取代目前尚在應用的高壓離子閘流管、引燃管、火花間隙開關或真空開關等。


    該器件獨特的結構和工藝特點是:門-陰極周界很長并形成高度交織的結構,門極面積占芯片總面積的90%,而陰極面積僅占10%;基區空穴-電子壽命很長,門-陰極之間的水平距離小于一個擴散長度。上述兩個結構特點確保了該器件在開通瞬間,陰極面積能得到100%的應用。此外,該器件的陰極電極采用較厚的金屬層,可承受瞬時峰值電流。


    8.新型GTO器件-集成門極換流晶閘管

    當前已有兩種常規GTO的替代品:高功率的IGBT模塊、新型GTO派生器件-集成門極換流IGCT晶閘管。IGCT晶閘管是一種新型的大功率器件,與常規GTO晶閘管相比,它具有許多優良的特性,例如,不用緩沖電路能實現可靠關斷、存貯時間短、開通能力強、關斷門極電荷少和應用系統(包括所有器件和外圍部件如陽極電抗器和緩沖電容器等)總的功率損耗低等。


    9.高功率溝槽柵結構IGBT(TrenchIGBT)模塊

    當今高功率IGBT模塊中的IGBT元胞通常多采用溝槽柵結構IGBT。與平面柵結構相比,溝槽柵結構通常采用1μm加工精度,從而大大提高了元胞密度。由于門極溝的存在,消除了平面柵結構器件中存在的相鄰元胞之間形成的結型場效應晶體管效應,同時引入了一定的電子注入效應,使得導通電阻下降。為增加長基區厚度、提高器件耐壓創造了條件。所以近幾年來出現的高耐壓大電流IGBT器件均采用這種結構。


    10.電子注入增強柵晶體管IEGT(InjecTIonEnhancedGateTrangistor)

    近年來,日本東芝公司開發了IEGT,與IGBT一樣,它也分平面柵和溝槽柵兩種結構,前者的產品即將問世,后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO兩者的某些優點:低的飽和壓降,寬的安全工作區(吸收回路容量僅為GTO的1/10左右),低的柵極驅動功率(比GTO低2個數量級)和較高的工作頻率。加之該器件采用了平板壓接式電極引出結構,可望有較高的可靠性。


    與IGBT相比,IEGT結構的主要特點是柵極長度Lg較長,N長基區近柵極側的橫向電阻值較高,因此從集電極注入N長基區的空穴,不像在IGBT中那樣,順利地橫向通過P區流入發射極,而是在該區域形成一層空穴積累層。為了保持該區域的電中性,發射極必須通過N溝道向N長基區注入大量的電子。這樣就使N長基區發射極側也形成了高濃度載流子積累,在N長基區中形成與GTO中類似的載流子分布,從而較好地解決了大電流、高耐壓的矛盾。目前該器件已達到4.5kV/1kA的水平。


    11.MOS門控晶閘管

    MOS門極控制晶閘管充分地利用晶閘管良好的通態特性、優良的開通和關斷特性,可望具有優良的自關斷動態特性、非常低的通態電壓降和耐高壓,成為將來在電力裝置和電力系統中有發展前途的高壓大功率器件。目前世界上有十幾家公司在積極開展對MCT的研究。MOS門控晶閘管主要有三種結構:MOS場控晶閘管(MCT)、基極電阻控制晶閘管(BRT)及射極開關晶閘管(EST)。其中EST可能是MOS門控晶閘管中最有希望的一種結構。但是,這種器件要真正成為商業化的實用器件,達到取代GTO的水平,還需要相當長的一段時間。


    12.砷化鎵二極管

    隨著變換器開關頻率的不斷提高,對快恢復二極管的要求也隨之提高。眾所周知,具有比硅二極管優越的高頻開關特性,但是由于工藝技術等方面的原因,砷化鎵二極管的耐壓較低,實際應用受到局限。為適應高壓、高速、高效率和低EMI應用需要,高壓砷化鎵高頻整流二極管已在Motorola公司研制成功。與硅快恢復二極管相比,這種新型二極管的顯著特點是:反向漏電流隨溫度變化小、開關損耗低、反向恢復特性好。


    在用新型半導體材料制成的功率器件中,最有希望的是碳化硅(SiC)功率器件。它的性能指標比砷化鎵器件還要高一個數量級,碳化硅與其他半導體材料相比,具有下列優異的物理特點:高的禁帶寬度,高的飽和電子漂移速度,高的擊穿強度,低的介電常數和高的熱導率。上述這些優異的物理特性,決定了碳化硅在高溫、高頻率、高功率的應用場合是極為理想的半導體材料。在同樣的耐壓和電流條件下,SiC器件的漂移區電阻要比硅低200倍,即使高耐壓的SiC場效應管的導通壓降,也比單極型、雙極型硅器件的低得多。而且,SiC器件的開關時間可達10nS量級,并具有十分優越的FBSOA。


    SiC可以用來制造射頻和微波功率器件,各種高頻整流器,MESFETS、MOSFETS和JFETS等。


    功率器件的市場

    VDMOS在2017年的Yole統計報告當中,市場空間有60億美元,這里面大部分是40v以下的設備。從市場份額來看,我們關心的是汽車電子,不管是增長率和市場份額,都是最大的。其次是計算機和存儲,它的市場份額特別大。但是因為PC的發展比較慢,所以它的增長率比較小。另外是網絡通訊,雖然現在來看市場份額不大,但是增長率很快,基本上和汽車電子一樣。大家知道在通訊行業我們國家還可以,比如華為和中興在通訊行業是第一位和第四位,所以伴隨著整機器件的發展,國內應該有很好的發展。


    在2016年的統計報告當中,關于功率器件市場份額和一些重要的參與者,實際上0到40V體量是最大的。因為只要是手持器件,像數碼相機、手機這些東西用量非常大,它的市場份額非常高。下面是40V到100V,這個為什么高呢?是因為做到了汽車,汽車電源是12V,很多是60到100V之間。大于400V這一部分統稱為高壓器件。誰是重要的參與者呢?從第一到十的排名,基本上沒有中國廠商??陀^來說,數到十五,中國廠商也很難排進去。第一名是很老牌的廠商,之前他的份額沒那么多,三年前他收購了一個重要的廠商。第二位是On  Semi,所以整個來看,細分市場里面,歐美日把持了大部分廠家。


    從VDMOS再細分一下,就是汽車電子,這個市場在2018年是14億美金,增長比例每年逐漸增加的。前十位里面依然沒有中國廠家。另外一個市場份額比較大的領域,是計算和存儲市場,2018年的市場份額是14億美元。但因為PC發展緩慢,是一個平穩的狀態。即使這樣,在這個非常大的市場領域前十名,也仍然沒有中國廠家。嚴格來說,15位也沒有。我們一直說是中國是制造大國,不是制造強國,因為在高端制造業當中,是找不到中國廠商的。


    再看另外一種非常重要的功率器件IGBT。IGBT總體市場是在2018年開始接近50億美元,重要的參與者我們也列了一下。IGBT的電壓非常廣,從400V到6500V都有應用,因此很難有廠家獨吞一個市場,所以廠家選自己擅長的領域做。這是第一梯隊、第二梯隊、第三梯隊。第一梯隊仍然是infineon、三菱,軌道交通被ABB壟斷,所以很難見到中國廠商。只是在4500V領域把中車放進去了,但嚴格來說中車沒有大批量量產IGBT。所以整體在IGBT這么大的市場里面,中國的參與度也比較低。


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