功率半导体概述

功率半导体概述

功率半导体的定义

功率半导体又称作电力半导体，是用来对电能进行转换，对电路进行控制，改变电力变换装置中的电压或电流的波形?幅值?相位?频率等参数的一种半导体器件。一般来说，功率半导体器件与非功率半导体器件没有严格界定，例如具有1W以上的功率处理能力的半导体器件可以认为是功率半导体器件。如整流二极管?双极型晶体管?晶闸管?GTO*1?功率MOSFET*2?IGBT*3?IPM*4?DIPIPMTM*5都是被广泛应用的功率半导体器件。

电力变换装置是为了完成电力转换，而将功率半导体器件及其附属电路按照一定的拓扑结构进行连接的电力变换系统。为了更好地理解功率半导体，不妨将电力变换装置看做一匹马，功率半导体器件就是马的肌肉，用来为马提供力量，而其它半导体元器件，如传感器可以看做是马的眼睛?鼻子?耳朵；CPU*6可以看做马的大脑,如图1所示。这匹马的力量主要由肌肉决定的，与此类似电力变换装置的输出功率大小是由功率器件决定的，如图2所示，其单位是大家熟知的瓦特（W），功率还有一个大家不太熟知的单位马力（hp）,1马力相当于一匹马把75kg物体在1s内提升1米高度所做的功，即1hp=735W。

正如生物进化是由环境决定反过来又重新塑造环境一样，功率半导体的诞生和进化也是由于人类对于电气设备需求的不断增加和对低成本?高性能的持续追求下完成的。而功率器件的诞生和进化又使电气设备及其电力变换装置发生了本质变化，电力变换装置的可靠性?功能?成本?效率等各个方面又随着新型功率半导体器件的诞生而不断优化发展。正如在家电领域，作为电力转换装置的变频控制器最初采用的是分立功率晶体管，后来被IPM替代，而目前家电领域体积更小?成本更低?功能更强大的DIPIPMTM又替代了IPM成为家电变频控制器的主流功率器件。功率半导体器件的每一次升级，都使变频家电在体积?成本?可靠性?能效?噪声等方面获得巨大进步。

功率半导体的分类

功率半导体的分类有多种方式，比如按照驱动方式可分为电流控制型器件，这类器件必须有足够的驱动电流才能导通，随着器件容量的增加也需要更大的驱动功率，如晶闸管?功率晶体管?GTO等；电压控制型器件，这类器件的开关只需要在门极施加一定的电压和很小的驱动电流即可，因而电压控制型器件只需要很小的驱动功率，驱动电路也相对简单，如功率MOSFET?IGBT?IPM?DIPIPMTM等；光控型器件，这种器件一般是专门制造的电力半导体器件，其控制通过光纤和专用的光发射装置来实现非电型控制，从而提高驱动电路的抗干扰性，如光控晶闸管等。

按照功率器件载流子性质来分，可以分为双极型器件?单极型器件?混合型器件。双极型器件的内部存在电子和空穴两种载流子来参与导电过程，其导通压降低?阻断电压高?电流容量大?开关频率一般不高。如功率晶体管?GTO等；单极型器件指器件内部只有一种载流子参与导电过程，其开关频率一般较高，同时由于通态损耗相对较高，因而电流能力比双极型器件低，适合功率较小的电力转换装置应用，如功率MOSFET等；混合型器件，也可以称作复合型器件，它是由双极型器件和单极型器件混合而成，因而兼具二者的优势，如耐压高?电流密度大?导通压降低，同时控制部分采用电压驱动，驱动功率小?开关速度快，如IGBT?IEGT*7?IPM?DIPIPMTM等。

需要指出的是与常规的分立功率器件如功率晶体管?功率MOSFET?分立IGBT等相比，IPM?DIPIPMTM是一种更高层次的电力半导体器件，它的内部集成了功率器件与驱动电路?控制电路?保护电路等，使高压大电流?发热量高的功率器件与低压小电流的控制电路有机的结合起来，使功率半导体器件应用更简单?可靠性?集成度更高。表1是一些常用的功率半导体符号及基本电路。关于IPM与DIPIPMTM的功能介绍，以后的章节将详细展开。

表1 常用功率半导体器件符号及特点

功率半导体功能及拓扑结构

功率半导体器件是各种电力变换装置的核心，本质上它是一种电力开关，要求能够在低阻状态下流过从几安培到几千安培的电流，更能够在毫秒甚至微秒时间内对高达数千伏高电压?数千安培的大电流进行切断，通过多个功率半导体器件按照一定的拓扑结构进行组合，在CPU的控制下，就能把电力按照负载所需进行变换，其基本功能框图见图3所示。

图3 电力变换装置功能框图

一般来说电力变换装置的功能有4种基本型式，即直-交（DC/AC）逆变模式?交-交（AC-AC）变频模式?交-直（AC-DC）整流模式和直-直（DC-DC）变换模式。图4是一种通用变频器常用的AC-DC-AC电路的拓扑结构，通过图4的电力转换装置,来自电 的固定频率?电压的电能被转换成了可以被负载利用的频率?电压可调的电能。在此电路中，整流桥工作在工频开关状态，需要承受大电流冲击；而用于刹车保护的IGBT与反向功率二极管工作在间歇模式，只有母线电压超过一定值时发挥作用，来防止母线过压；而逆变电路中的IGBT和反并联二极管则工作在高电压?大电流的高频开关模式，其损耗大，EMI*8噪声也高。

图4 AC-DC-AC电路拓扑图

虽然电力转换装置的形式多种多样，但一般以功率半导体器件?不同拓扑形式的电路和不同的控制策略作为基本组成元素，因此在分析功率器件的工作状态时，必须结合具体的拓扑结构和控制策略来进行。

功率半导体的发展史

从20世纪50年代算起，功率半导体器件经历了70多年的发展，如果对功率半导体器件按照时间进行梳理的话，大体经历了3代。第一代器件主要以功率二极管和晶闸管为代表，是功率半导体器件发展早期的主要器件。第二代器件主要以GTO?双极型晶体管和功率MOSFET为代表。这些器件相对于第一代器件最明显的区别是能够进行可控开关。第三代功率半导体器件主要以IGBT?IPM? DIPIPMTM?IGCT*9为代表的高性能?多功能?高集成度的新一代功率器件。20世纪90年代后期，以碳化硅（SiC）?氮化镓（GaN）为代表的新型半导体材料开始在功率器件中得到应用，为功率半导体的发展开启了新的篇章。图5对常见功率半导体器件的进化历程进行了梳理。

图5 功率半导体器件进化路线图

由图5可以看出，功率半导体器件进化的大致方向按照不可控制→电流控制→电压控制；从小功率→中功率→大功率→超大功率；从分立器件→功率模块→智能功率模块→双列直插智能功率模块这几条主线进行。三菱电机作为知名功率半导体器件制造商，一直致力于功率半导体器件的模块化?智能化，从上世纪90代起先后开创了智能功率模块IPM?DIPIPMTM等领域，为功率半导体行业的发展做出了巨大贡献。