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1、电力电子子器件的的发展现现状和技技术对策策20055-7-18摘要：叙叙述T电电力电子子器件的的发展现现状、主主要技术术和应用用状况，并并讨论了了今后的的发展方方向。关关键词电电力电子子器件，功功率MOOSFEET，功功率ICC l引引言 电电力电子子技术包包括功率率半导体体器件与与IC技技术、功功率变换换技术及及控制技技术等几几个方面面，其中中功率半半导体器器件和IIC是电电力电子子技术的的重要基基础.近近年来一一直发展展很快，其其应用已已橙盖了了工业、民民用、通通信、交交通等各各个领域域。分立立功率器器件能处处理越来来越高的的电流和和电压;功率 lC中中已将CCMOSS、高性性能双极极和高
2、压压功率输输出器件件组合在在同一个个芯片上上，并可可实现多多种自检检测和自自保护功功能。此此外.还还研制了了多种MMOS控控制功率率器件，它它们可以以很容易易地与CCMOSS控制电电路接口口，并且且提高了了阻断电电压和电电流处理理容量。在在器件和和IC设设计方面面，CAAD技术术和模拟拟技术已已由实验验室走向向实用。在在工艺方方面，介介质隔离离技术的的研究取取得了较较大的进进展，它它的应用用范围已已从最初初的通信信扩展到到电机控控制和汽汽车等领领域。在在器件结结构方面面，使用用RESSURFF技术和和场限环环来增大大击穿电电压，推推进了横横向集成成器件的的研究。 本文将将叙述国国外电力力电子器
3、器件的基基本状况况和发展展i金径径，并以以功率MMOSFFET、IIGBTT、MOOS门极极晶闸管管和功率率IC为为重点，介介绍这些些新型器器件的产产品性能能及应用用状况，最最后将对对我国电电力电子子器件的的发展提提出几点点看法。 2电力力电子器器件的发发展途径径和应用用前景 从复合合型晶体体管发明明以来，以以晶闸管管和双极极晶体管管为主干干，发展展了GTTO、功功率MOOS FFET、SSIT、SSITHH、IGGBT、MMCT、功功率集成成电路等等分枝，在在各个领领域中已已得到广广泛的应应用。各各种器件件的允许许功率和和工作频频率如图图1所示示。庞大大的SCCR和双双极晶体体管市场场，很大
4、大部分已已被这些些新的器器件所取取代。 图1功率率半导体体器件的的允许功功率和工工作硕率率 十多多年来，电电力电子子器件大大致经历历了三个个发展阶阶段，也也即有三三个主要要的发展展途径:提高器器件的电电流、电电压容量量是一个个贯穿始始终的目目标;从从80年年代初期期开始，在在低功耗耗、多功功能方面面也作了了很多努努力;从从19888年开开始，又又提出了了智能化化的要求求。下面面将简要要介绍在在这三个个方面所所取得的的进展。 2.11大容量量化 功功率器件件的大容容量化与与其适用用的频率率有很大大关系，随随功率变变换装置置的控制制方式从从PAMM (脉脉幅调制制)进展展到正弦弦波PWWM(脉脉宽
5、调制制)方式式，领率率也提高高到ZookHzz以上。与与此相应应，GTTR(包包括单个个双极晶晶体管、达达林顿管管和GTTR模块块)代替替了过去去的SCCR，可可覆盖耐耐压1 5000v、电电流1000OAA以下的的领域。但但在此容容量以上上时，由由于GTTR中hhr。降降低和饱饱和压降降增大的的问题更更为突出出，GTTO和SSCR就就成了主主流器件件。目前前，随IIGBTT等MOOS复合合器件的的大容量量化，即即使过去去认为是是GTOO领域的的工业用用电源和和电车等等也正在在扩展到到IGBBT的应应用范围围。 22.2低低功耗、多多功能化化 从低低功耗方方面考虑虑，双极极晶体管管比起GGTO
6、来来关断增增益高，反反向偏置置驱动电电路简单单，因此此普及较较早。进进而出现现了正向向驱动电电路也能能简单化化的MOOSFEET。MMOSFFET有有优良的的开关性性能，在在耐压较较低的情情况下(如3000V以以下)导导通电压压也低，但但由于是是单极器器件，不不会产生生电导率率调制，在在高耐压压情况下下有导通通电压急急剧增大大的缺点点，因此此不可能能全面替替代双极极晶体管管。 具具有MOOS结构构的双极极器件IIGBTT兼有两两种器件件的优点点，作为为在功率率MOSSFETT所不能能达到的的应用领领域内的的器件而而快速发发展。它它的频率率可达到到15kkHz以以上，在在PwMM控制的的低噪声声
7、逆变器器中起了了主要作作用。但但与过去去skHH:驱动动的双极极逆变器器比较，开开关损耗耗大，冷冷却用散散热片也也需增大大，效率率低，这这些问题题在IGGBT的的普及中中是个大大的障碍碍。为了了改善这这种状况况，最近近开发了了第三代代IGBBT，在在具有高高速开关关特性的的同时，饱饱和电压压达到与与双极晶晶体管相相当的ZZV以下下的水平平，几乎乎接近IIGBTT的理论论极限。今今后还将将采用开开关性能能与第三三代IGGBT相相当、饱饱和电压压进一步步降低到到IV左左右的新新型器件件，如MMOS1极晶晶闸管等等。 22.3智智能化 最近几几年除了了开发及及改进主主电路功功率部分分中的功功率器件件
8、外，包包括外国国控制电电路和保保护电路路的智能能功率IIC的开开发也很很活跃。其其主要方方法一个个是单片片方式的的智能功功率ICC，另一一个是混混合方式式的智能能功率模模块。前前者最初初用低压压MOSSFETT为主要要器件，多多用于汽汽车工业业，最近近以高耐耐压IGGBT作作主要器器件的高高压功率率IC也也已发表表，适用用于容量量较小的的功率变变换装置置和功率率器件驱驱动电路路等。后后者最初初以双极极晶体管管为主要要器件，最最近以IIGBTT为主要要器件的的智能功功率模块块也己实实用化，已已在从ll马力驱驱动的家家庭用空空调逆变变器到工工业用中中、大容容量逆变变器中应应用。 今后随随着功率率器
9、件性性能的提提高及需需方对于于设计时时间短、组组装工艺艺简单、装装置小而而轻等的的要求，智智能化器器件的意意义也将将越来越越大。 关于将将来的技技术，预预测起来来比较困困难。但但我们知知道，新新的功率率器件的的普及与与功率变变换装置置的控制制方式有有密切关关系。同同时事实实也表明明，逆变变器控制制方式的的变化与与开关电电源控制制方式的的变化相相类似。但但时间要要晚几年年至100年左右右。比如如最近从从降低开开关损耗耗的观点点出发，谐谐振型开开关电源源的普及及进展很很快，推推断今后后在逆变变器领域域中也将将采用谐谐振型方方式。因因此可以以确信，开开发适应应新的控控制方式式的功率率器件将将是一个个
10、长期的的任务。 3新型型电力电电子器件件的特点点及产品品性能 下面将将以功率率MOSSFETT、IGGBT、MM()5511极晶晶闸管和和功率IIC为代代表，介介绍这些些器件的的特点、产产品性能能和应用用范围。 3.11功率MM()SSFETT 各种种器件由由于基本本原理的的不同，都都有其特特有的优优、缺点点。功率率MOSSFETT是单极极型电压压控制器器件，驱驱动功率率小;仅仅由多数数载流子子导电，无无少子存存贮效应应，高频频特性好好;没有有二次击击穿的问问题，安安全工作作区广，耐耐破坏性性强;具具有热稳稳定性，抗抗干扰能能力强。再再加上容容易用CCAD方方式设计计，适于于大量生生产等特特点
11、，它它早已成成为电力力电子领领域中的的实用器器件。但但是，由由于没有有电导率率调制，导导通电阻阻高，特特别在高高耐压产产品中更更为明显显。目前前，产品品的最高高耐压为为15000v。功功率MOOsFEET主要要指纵型型器件，这这些器件件大电流流特性好好，可用用于开关关电源、DDC一rr例乙转转换器、荧荧光灯照照明用电电子镇流流器、显显示监控控器、不不间断电电源装置置及马达达控制用用逆变器器等.横横型MOOS器件件具有良良好的高高频特性性，也已已在133.skkHz工工业电力力及高频频汽车电电话中应应用。 功率MOOSFEET中，耐耐压(漏漏一源击击穿电压压VI。)与导通通电阻的的关系如如图2所
12、所示。图图中示出出了第三三代功率率MOSSFETT的实际际值、产产品极限限曲线及及理论极极限值。表表l示出出了不同同耐压的的功率MMOSFFET特特性及其其应用领领域。表表2为第第三代HH系歹，11(155oV以以上)功功率MOOSFEET特性性。表33为最近近开发的的第三、四四代I，系系列(1120VV以下)功率MMOSFFET的的特性(分别为为4V驱驱动和22.SVV驱动)。 33.2 ICBBT IIGBTT是将MMOSFFET的的高速开开关及电电压驱动动特性与与双极晶晶体管的的低饱和和特性综综合在一一个芯片片上面构构成的功功率器件件，是最最近电力力电子领领域中最最引人注注目的器器件之一
13、一。由于于设计最最佳化及及近年来来应用了了大容量量存储器器的工艺艺技术，特特性有了了很大改改善，其其应用已已超出了了过去双双极晶体体管及功功率MOOSFEET的范范围。自自从该器器件被用用于低噪噪声逆变变器以来来，作为为高速大大功率器器件，在在伺服马马达、空空调、UUPS、DD一D变变换器、有有源滤波波器等装装置中已已使用，最最近还扩扩展到了了汽车、家家电、照照相机内内藏闪光光灯等领领域。现现在已批批量生产产的IGGBT，几几乎全部部采用纵纵形二次次扩散的的n沟结结构。图图3对照照了功率率MSFEET和IIGBTT的基本本构造。两两者结构构相似，只只是功率率MOSSFETT中漏极极侧为nn“层
14、，而而 IGGBT集集电极侧侧为p，层层。由于于IGBBT增加加了一个个p一nn结，导导通时由由p冲层层向n一一层注入入的空穴穴吸引电电子，使使n一层层的电子子密度增增加，nn一层的的电阻急急减(电电导率调调制)，这这样，就就形成IIGBTT的饱和和电压低低的特点点。但是是，由于于这个结结构而产产生了寄寄生的ppnpnn晶闸管管，在特特定条件件下导通通时，有有时会失失去门极极控制功功能，发发生锁定定现象。自自从无锁锁定IGGBT模模块商品品化以来来，除了了一部分分用途外外，实际际使用上上还没有有什么障障碍。 IGBTT的静态态特性和和开关特特性都与与功率MMOSFFET类类似，但但由于有有空穴
15、注注入，在在开关波波形中会会出现空空穴注入入滞后及及拖尾电电流等问问题。前前者在空空穴注入入少的情情况下发发生，影影响了特特别高速速的导通通;后者者在空穴穴注入多多的情况况下发生生，使在在高领开开关中损损耗增大大。因此此，在拖拖尾电流流、导通通电压及及空穴注注入滞后后之间存存在折衷衷关系。现现在生产产的ICCBT导导通电压压多在224VV，由干干是低导导通电压压，稍微微调整了了拖尾电电流的残残留程度度。另外外，由干干构造的的不同，IIGBTT还会产产生短路路耐量小小的问题题，因此此设计驱驱动电路路时还必必须注意意短路耐耐量与功功率损耗耗的折衷衷等间题题。 图图4示出出了第一一代至第第三代660
16、oVV系列IIGBTT饱和电电压与开开关特性性的关系系。第一一代IGG- BBT的饱饱和电压压差不多多处于MMOSFFET和和双极晶晶体管的的中间值值，约为为3.SSV.在在第三代代产品中中，饱和和电压减减小到ZZV左右右，与双双极晶体体管相近近。关断断下降时时间也从从第一代代产品的的0.225拌、改改进到第第三代产产品的00.155娜，关关断时的的开关损损耗也得得到改善善。另外外，在第第三代产产品中，内内藏高速速二极管管的恢复复时间和和恢复电电流也约约降低一一半，再再加上软软恢化，使使IGBBT导通通时的损损耗也得得到大幅幅度改善善。 通过以上上各种改改进，使使得IGGBT作作为高频频开关而
17、而产生的的总功耗耗(包括括导通、关关断损耗耗及IGGBT和和二极管管中的正正常功耗耗)大幅幅度降低低。第三三代产品品的总功功耗约降降至第一一代产品品的一半半左右。 目前IIGBTT的产品品已系列列化，从从6000V/SSA至112000v/66o0AA的器件件都已有有售，产产品中最最高耐压压为14400VV，耐压压为17700VV至18800VV的器件件也在研研制中。表表4举例例说明各各种耐压压(集电电极一发发射极击击穿电压压V。R，ccf:oo)的IIGBTT的特性性及其应应用领域域。 和构造图图。M()SFFET。和和MOSSFETT:的栅栅互相连连接但极极性不同同(构成成MCTT的门极极
18、)，其其中一个个控制导导通.另另一个控控制关断断。MOOS门极极晶l坷坷管综合合了MOOSFEET与GGTO的的优点，既既具有高高的阻断断电压和和大的电电流容量量，又能能实现快快速开关关。对于于10oo0V/1000A的器器件，关关断时间间可缩短短至l!2拼550 除除了在一一个芯片片上组合合这两种种器件外外，也进进行了将将SCRR与MOOSFEET串联联来实现现既有高高的耐压压性.又又有高速速性的复复合器件件的试验验.包括括驱动部部分的实实际电路路如图66所示。对对于 550oVV、3oo0A的的开关，关关断时间间缩短到到原来GGT()(I勺勺十分之之一(ll“、)。 目前MMCT产产品化已
19、已取得较较大进展展.从ssooVV/sooA到ll0000V/ll。()八器件件已系歹歹IJ化化。目前前已报导导的器件件阻断电电压最高高达35500VV，峰值值电流达达I0000A.最大关关断电流流密度为为60000A/ C 1111一。 此外.也也研究了了其他的的MOSS控制器器件，如如ESTT(Emmittter Swiitcll，eddlhyrri、ttor)和BRRT (Ba、eeR。、iistaancee Coon:rrollled Thyyri、ttor)，这些些器件也也是用双双扩散MMOS工工艺制造造的。最最近还报报导了一一仲用33MeVV电子辐辐射而得得到的快快速开关关、600
20、oV非非又寸称称ESTT和BRRT器件件，关断断时间可可低至5500nns，在在马达控控制和UUPS等等需要高高速开关关的应用用中颇有有吸引力力。 33.4功功率ICC 功率率IC通通常分为为智能功功率ICC(S PICC)和高高压功率率IC(HVIIC)。SSPICC是指一一个(或或几个)具有纵纵型结构构的功率率器件与与控制和和保护电电路的集集成，它它有单片片和混合合两种方方式。随随着芯片片制造技技术的改改进及输输出器件件导通电电阻和热热阻的降降低，单单片方式式的成本本一效益益将越来来越高，因因此目前前所用的的许多模模块，特特别是具具有较高高功率级级别的模模块，今今后可能能由单片片方式来来取
21、代。SSPICC的电流流容量大大，常用用于电压压调节器器、汽车车用功率率开关、马马达驱动动等方面面。HVVIC由由多个高高压器件件与低压压模拟或或逻辑电电路集成成在单片片上形成成，其功功率器件件是横向向的，电电流能力力较低，常常用于平平板显示示驱动、电电话交换换机用户户电路及及小型马马达驱动动等需要要电压较较高的地地方。 隔离技技术是实实现功率率IC的的一个关关键技术术。自隔隔离和结结隔离在在技术上上已很成成熟，介介质隔离离法绝缘缘性能好好、设计计容易，但但工艺复复杂，过过去多在在高压通通信ICC中应用用，今后后期望在在高压、大大电流智智能功率率IC中中得到更更多的应应用。另另外，对对于高压压
22、IC，也也开发了了称为RRESUURF的的电场缓缓和技术术，并实实现了112000V的高高压输出出。 功功率lCC的应用用正在不不断扩大大，有人人预言它它将渗入入到目前前功率器器件所涉涉及的全全部范围围.功率率IC产产品(包包括定制制产品及及标准产产品)品品种很多多，销售售额也以以每年220%的的速度递递增。下下面简要要介绍几几种智能能功率II(二产产品。 (”美国国国家半导导体公司司的LMM 19951，日日立公司司的HAA1377oZAA和IIA1337033A，西西门子公公司的BBTS叹叹1 ZZA和BBTS吸吸32等等。这些些IC具具有对短短路、过热热、过载载及对反反向电压压、过压压和
23、欠压压状态的的自保护护功能，大大部分具具有自诊诊断功能能。其功功率器件件的电流流额定值值范围为为几A12AA，采用用5引线线TO一一2200封装，用用于汽车车高侧驱驱动开关关。 (2)义义S一TThommsonn公司的的IJ6628oo。这是是一个用用于马达达和螺线线管控制制的单片片三通道道驱动器器系统。该该芯片使使用多功功率输出出BCDD技术，将将15个个vDMMOsFFET和和用作控控制、保保护和接接口电路路的40000个个其他晶晶体管组组装在一一个芯片片上，可可以处理理直到66oV的的电压。该该lC具具有对功功率失效效、过热热、过电电流的保保护功能能，还有有一个防防止CPPU失效效，同时
24、时又不会会丢失数数据的监监视控制制器。该该芯片组组装在妞妞管脚的的PI刀刀C中，不不需要散散热片。 (3)日本新新电元工工业公司司最近研研制的MMTDII 1 10(单极方方式)，MMTD220011(双极极方式)。这是是用干中中、小型型步进马马达驱动动的专用用运动控控制ICC，与CCPU直直接连接接，具有有过热保保护及向向外部发发出警告告信号的的功能。内内藏散热热片封装装。可处处理的电电流电压压范围分分别达ZZA、885V及及1 .SA、660V。 4结语语和建议议 上面面叙述了了国外电电力电子子器件的的发展途途径、目目前水平平和所采采取的技技术对策策。近年年来，我我国在电电力电子子器件及及
25、应用技技术方面面也取得得了较大大进展。采采用GTTR、功功率MOOSFEET或SSIT的的日光灯灯用高领领电子镇镇流器已已投入批批量生产产。在高高颇感应应加热装装置中，用用功率MMOsFFET、GGTO 和SIITH等等取代真真空管的的技术改改造工作作也在进进行.研研制并生生产了输输出功率率达数十十kw、工工作频率率203000kH:的高频频加热电电源.另另外，也也开发了了计算机机和通信信用稳压压电源、中中小功率率交流电电机变频频调速装装置、直直流电机机斩波调调速装置置等。但但总的来来看，与与国外水水平还有有很大差差距，特特别是在在作为电电力电子子技术基基础的功功率器件件和ICC上，还还远不能
26、能满足需需要。例例如，我我国从880年代代末引进进GTOO生产技技术，目目前达ZZ0000A/225000V的水水平，而而国外已已做出TT l0000ooA/ss0000V的器器件。我我国IGGBT的的研制还还处于初初级阶段段，MCCT和智智能功率率IC的的研制才才列入计计划。根根据目前前的情况况，认为为我国在在电力电电子器件件技术方方面，应应作以下下几项工工作:消化吸吸收GTTO、GGTR引引进技术术，扩大大生产，提提高性能能。研制并并批量生生产功率率MOSSFETT、SIIT、SSITHH，使其其能逐步步满足国国内需要要。重点加加强IGGBT的的研制开开发工作作。进行新新器件(MCTT等)
27、及及功率llC的预预研工作作。继续进进行介质质隔离等等工艺技技术及CCAD、材材料和封封装等相相关技术术的研究究。开展应应用技术术的研究究，使产产品能更更快投入入实用。 电力电电子技术术是一项项有关国国计民生生的重要要技术，将将功率半半导体器器件用于于电力的的控制和和变换装装置，实实现装置置的小型型、节能能化，是是解决我我国能源源紧张、降降低材料料消耗、提提高生产产效率的的一个重重要途径径，目前前已得到到政府有有关部门门的重视视和支持持。期望望在今后后十年内内电力电电子器件件技术能能得到更更快的发发展，缩缩小与美美、日等等国的差差距，为为促进我我国机电电一体化化及其他他高新技技术的发发展作出出贡献。 参考文文献 11.电子子技术(日)功功率器件件专集.19992，33难(66) 22.电子子技术(日).19993，335(33) 33.】SSPS口口91伪伪l年功功率半导导体器件件及ICC国际会会议论文文集) 4.】SSPS口口92(92年年功率半半导体器器件及IIc国际际会议论论文集)