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功率半导体模块的发展趋势

发布时间:2020-02-13 08:11编辑:技术中心浏览(150)

      电力电子器件(Power Electronic Device),又称为功率半导体器件,用于电能变换和电能控制电路中的大功率(通常指电流为数十至数千安,电压为数百伏以上)电子器件。可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件,其中晶闸管为半控型器件,承受电压和电流容量在所有器件中最高;电力二极管为不可控器件,结构和原理简单,工作可靠;还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件,其中GTO、GTR为电流驱动型器件,IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。

      功率半导体器件以功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET,常简写为功率MOS)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(power IC,常简写为PIC)为主。这些器件或集成电路能在很高的频率下工作,而电路在高频工作时能更节能、节材,能大幅减少设备体积和重量。尤其是集成度很高的单片片上功率系统(power system on a chip,简写PSOC),它能把传感器件与电路、信号处理电路、接口电路、功率器件和电路等集成在一个硅芯片上,使其具有按照负载要求精密调节输出和按照过热、过压、过流等情况自我进行保护的智能功能。国际专家把它的发展喻为第二次电子学革命。

      碳化硅功率二极管有三种类型:肖特基二极管(SBD)、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管(JBS)。由于存在肖特基势垒,SBD具有较低的结势垒高度。因此,三菱特殊模块SBD具有低正向电压的优势。SiC SBD的出现将SBD的应用范围从250 V提高到了1200 V。同时,其高温特性好,从室温到由管壳限定的175℃,反向漏电流几乎没有增加。在3 kV以上的整流器应用领域,SiC PiN和SiC JBS二极管由于比Si整流器具有更高的击穿电压、更快的开关速度以及更小的体积和更轻的重量而备受关注。

      硅功率MOSFET器件具有理想的栅极电阻、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。在300V以下的功率器件领域,是首选的器件。有文献报道已成功研制出阻断电压10 kV的SiC MOSFET。研究人员认为,碳化硅MOSFET器件在3kV~5 kV领域将占据优势地位。尽管遇到了不少困难,具有较大的电压电流能力的碳化硅MOSFET器件的研发还是取得了显著进展。

      另外,有报道介绍,碳化硅MOSFET栅氧层的可靠性已得到明显提高。在350℃条件下有良好的可靠性。这些研究结果表明栅氧层将有希望不再是碳化硅MOSFET的一个显著的问题。

      最近报道了阻断电压12kV的碳化硅P型IGBT器件,并具有良好的正向电流能力。碳化硅IGBT器件的导通电阻可以与单极的碳化硅功率器件相比。与Si双极型晶体管相比,SiC双极型晶体管具有低20~50倍的开关损耗以及更低的导通压降。SiC BJT主要分为外延发射极和离子注入发射极BJT,典型的电流增益在10-50之间。

      关于碳化硅晶闸管,有报道介绍了1平方厘米的晶闸管芯片,阻断电压5kV,在室温下电流100A(电压4.1V),开启和关断时间在几十到几百纳秒。

      半导体模块之间的差异,不仅仅体现在连接技术方面。另一个差别因素是附加有源和无源器件的集成度。根据集成度不同,可分为以下几类:标准模块,智能功率模块(IPM),(集成)子系统。在IPM被广泛使用(尤其在亚洲地区)的同时,集成子系统的使用只刚刚起步。

      智能功率模块的特点在于除了功率半导体器件外,还有驱动电路。许多IPM模块也配备了温度传感器和电流平衡电路或用于电流测量的分流电阻。通常智能功率模块也集成了额外保护和监测功能,如过电流和短路保护,驱动器电源电压控制和直流母线电压测量等。

      然而,大部分智能功率模块没有对功率侧的信号输入进行电气隔离。只有极少数的IPM包含了一个集成光耦。另一种隔离方案是采用变压器 进行隔离。

      通常,小规模的IPM的特点在于其引线框架技术。穿孔铜板用作功率开关和驱动IC的载体。通过一层薄薄的塑料或绝缘金属板进行散热。

      用于中高功率应用的IPM模块的设计特点是将模块分为两个层次。功率半导体在底部,驱动器和保护电路在上部。本领域内名气最大的IPM是赛米控的SKiiP?,已面市超过了10年。这种无底板IPM系列产品的最大额定电流是2400A,包括一个驱动器和保护功能,加上电流传感器、电气隔离和电源。三菱特殊模块这些模块装在风冷或水冷冷却器上,并在供货前进行全面的测试。

      一个有趣的趋势是将标准模块升级为IPM。可直接或使用带驱动电路(通过弹簧连接)的适配器板来进行升级。赛米控的SKYPERTM驱动器是这方面理想的产品。

      所有这些IPM的共同点是真实的“智能”,即将设定点值转换成驱动脉冲序列的控制器不包含在模块中。赛米控是250kW以下转换器用集成子系统的核心制造商。SKAITM模块也是IPM,其特点是集成了DSP控制器,除脉宽调制外,还可进行其它通信任务。三菱特殊模块这些子系统也包含集成直流环节电容器,一个辅助电源,精密电流传感器和一个液体冷却器。

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    关键词: 三菱特殊模块