功率半导体器件简介

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。

功率半导体器件是集成电路一个非常重要的组成部分，市场空间有400多亿美元，从大方面讲有200多亿美元是功率IC，还有100多亿是功率器件。手机充电器，手机当中都会有功率器件。功率器件主要的部分，体量比较大的是IGBT。把IGBT、VDMOS做好，就是一个很好的硬件厂商。IGBT模块是双子器件，它的特点是频率低一点，但是能量密度稍微大一点。所以像在新能源汽车，轨道交通应用得更广泛。

功率半导体器件优缺点

电力二极管：结构和原理简单，工作可靠；

晶闸管：承受电压和电流容量在所有器件中最高

IGBT：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点：开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTO

GTR：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题

GTO：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺点：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低

电力MOSFET：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题；缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

制约因素：耐压，电流容量，开关的速度

常用功率半导体器件汇总

1.MCT(MOSControlledThyristor)：MOS控制晶闸管

MCT的等效电路图

MCT是一种新型MOS与双极复合型器件。如上图所示。MCT是将MOSFET的高阻抗、低驱动图MCT的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起，形成大功率、高压、快速全控型器件。实质上MCT是一个MOS门极控制的晶闸管。它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断，它由无数单胞并联而成。它与GTR，MOSFET，IGBT，GTO等器件相比，有如下优点：

(1)电压高、电流容量大，阻断电压已达3000V，峰值电流达1000A，最大可关断电流密度为6000kA/m2；

(2)通态压降小、损耗小，通态压降约为11V；

(3)极高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已达20kV/s，di/dt为2kA/s；

(4)开关速度快，开关损耗小，开通时间约200ns，1000V器件可在2s内关断；

2.IGCT(IntergratedGateCommutatedThyristors)

IGCT是在晶闸管技术的基础上结合IGBT和GTO等技术开发的新型器件，适用于高压大容量变频系统中，是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。

IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器功率0.5~3MW，三电平逆变器1~6MW；若反向二极管分离，不与IGCT集成在一起，二电平逆变器功率可扩至4/5MW，三电平扩至9MW。

3.IEGT(InjectionEnhancedGateTransistor)电子注入增强栅晶体管

IEGT是耐压达4kV以上的IGBT系列电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点，以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性，使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。

另外，通过模块封装方式还可提供众多派生产品，在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。日本东芝开发的IECT利用了电子注入增强效应，使之兼有IGBT和GTO两者的优点:低饱和压降，安全工作区(吸收回路容量仅为GTO的十分之一左右)，低栅极驱动功率(比GTO低两个数量级)和较高的工作频率。器件采用平板压接式电机引出结构，可靠性高，性能已经达到4.5kV/1500A的水平。

4.IPEM(IntergratedPowerElactronicsModules):集成电力电子模块

IPEM是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。它首先是将半导体器件MOSFET，IGBT或MCT与二极管的芯片封装在一起组成一个积木单元，然后将这些积木单元迭装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上，在它的下面依次是铜基板、氧化铍瓷片和散热片。在积木单元的上部，则通过表面贴装将控制电路、门极驱动、电流和温度传感器以及保护电路集成在一个薄绝缘层上。IPEM实现了电力电子技术的智能化和模块化，大大降低了电路接线电感、系统噪声和寄生振荡，提高了系统效率及可靠性。

5.PEBB(PowerElectricBuildingBlock)

电力电子积木PEBB(PowerElectricBuildingBlock)是在IPEM的基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。PEBB并不是一种特定的半导体器件，它是依照最优的电路结构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。典型的PEBB上图所示。虽然它看起来很像功率半导体模块，但PEBB除了包括功率半导体器件外，还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。

PEBB有能量接口和通讯接口。通过这两种接口，几个PEBB可以组成电力电子系统。这些系统可以像小型的DC-DC转换器一样简单，也可以像大型的分布式电力系统那样复杂。一个系统中，PEBB的数量可以从一个到任意多个。多个PEBB模块一起工作可以完成电压转换、能量的储存和转换、阴抗匹配等系统级功能，PEBB最重要的特点就是其通用性。

6．超大功率晶闸管

晶闸管（SCR）自问世以来，其功率容量提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产8kV/4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV/4kA和6kV/6kA的光触发晶闸管(LTT)。美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC、静止无功补偿（SVC）、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。

现在，许多生产商可提供额定开关功率36MVA(6kV/6kA)用的高压大电流GTO。传统GTO的典型的关断增量仅为3～5。GTO关断期间的不均匀性引起的“挤流效应”使其在关断期间dv/dt必须限制在500～1kV/μs。为此，人们不得不使用体积大、昂贵的吸收电路。另外它的门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。到目前为止，在高压（VBR>3.3kV)、大功率（0.5～20MVA）牵引、工业和电力逆变器中应用得最为普遍的是门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6in、6kV/6kA以及9kV/10kA。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很有可能开发出10kA/12kV的GTO，并有可能解决30多个高压GTO串联的技术，可望使电力电子技术在电力系统中的应用方面再上一个台阶。

7.脉冲功率闭合开关晶闸管

该器件特别适用于传送极强的峰值功率（数MW）、极短的持续时间（数ns）的放电闭合开关应用场合，如：激光器、高强度照明、放电点火、电磁发射器和雷达调制器等。该器件能在数kV的高压下快速开通，不需要放电电极，具有很长的使用寿命，体积小、价格比较低，可望取代目前尚在应用的高压离子闸流管、引燃管、火花间隙开关或真空开关等。

该器件独特的结构和工艺特点是：门-阴极周界很长并形成高度交织的结构，门极面积占芯片总面积的90%，而阴极面积仅占10%；基区空穴-电子寿命很长，门-阴极之间的水平距离小于一个扩散长度。上述两个结构特点确保了该器件在开通瞬间，阴极面积能得到100%的应用。此外，该器件的阴极电极采用较厚的金属层，可承受瞬时峰值电流。

8.新型GTO器件-集成门极换流晶闸管

当前已有两种常规GTO的替代品:高功率的IGBT模块、新型GTO派生器件-集成门极换流IGCT晶闸管。IGCT晶闸管是一种新型的大功率器件，与常规GTO晶闸管相比，它具有许多优良的特性，例如，不用缓冲电路能实现可靠关断、存贮时间短、开通能力强、关断门极电荷少和应用系统（包括所有器件和外围部件如阳极电抗器和缓冲电容器等）总的功率损耗低等。

9．高功率沟槽栅结构IGBT(TrenchIGBT)模块

当今高功率IGBT模块中的IGBT元胞通常多采用沟槽栅结构IGBT。与平面栅结构相比，沟槽栅结构通常采用1μm加工精度，从而大大提高了元胞密度。由于门极沟的存在，消除了平面栅结构器件中存在的相邻元胞之间形成的结型场效应晶体管效应，同时引入了一定的电子注入效应，使得导通电阻下降。为增加长基区厚度、提高器件耐压创造了条件。所以近几年来出现的高耐压大电流IGBT器件均采用这种结构。

10.电子注入增强栅晶体管IEGT(InjecTIonEnhancedGateTrangistor)

近年来，日本东芝公司开发了IEGT，与IGBT一样，它也分平面栅和沟槽栅两种结构，前者的产品即将问世，后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO两者的某些优点：低的饱和压降，宽的安全工作区（吸收回路容量仅为GTO的1/10左右)，低的栅极驱动功率（比GTO低2个数量级）和较高的工作频率。加之该器件采用了平板压接式电极引出结构，可望有较高的可靠性。

与IGBT相比，IEGT结构的主要特点是栅极长度Lg较长，N长基区近栅极侧的横向电阻值较高，因此从集电极注入N长基区的空穴，不像在IGBT中那样，顺利地横向通过P区流入发射极，而是在该区域形成一层空穴积累层。为了保持该区域的电中性，发射极必须通过N沟道向N长基区注入大量的电子。这样就使N长基区发射极侧也形成了高浓度载流子积累，在N长基区中形成与GTO中类似的载流子分布，从而较好地解决了大电流、高耐压的矛盾。目前该器件已达到4.5kV/1kA的水平。

11.MOS门控晶闸管

MOS门极控制晶闸管充分地利用晶闸管良好的通态特性、优良的开通和关断特性，可望具有优良的自关断动态特性、非常低的通态电压降和耐高压，成为将来在电力装置和电力系统中有发展前途的高压大功率器件。目前世界上有十几家公司在积极开展对MCT的研究。MOS门控晶闸管主要有三种结构：MOS场控晶闸管（MCT）、基极电阻控制晶闸管(BRT)及射极开关晶闸管(EST)。其中EST可能是MOS门控晶闸管中最有希望的一种结构。但是，这种器件要真正成为商业化的实用器件，达到取代GTO的水平，还需要相当长的一段时间。

12.砷化镓二极管

随着变换器开关频率的不断提高，对快恢复二极管的要求也随之提高。众所周知，具有比硅二极管优越的高频开关特性，但是由于工艺技术等方面的原因，砷化镓二极管的耐压较低，实际应用受到局限。为适应高压、高速、高效率和低EMI应用需要，高压砷化镓高频整流二极管已在Motorola公司研制成功。与硅快恢复二极管相比，这种新型二极管的显著特点是：反向漏电流随温度变化小、开关损耗低、反向恢复特性好。

在用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅(SiC)功率器件。它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级，碳化硅与其他半导体材料相比，具有下列优异的物理特点:高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率。上述这些优异的物理特性，决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和电流条件下，SiC器件的漂移区电阻要比硅低200倍，即使高耐压的SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低得多。而且，SiC器件的开关时间可达10nS量级，并具有十分优越的FBSOA。

SiC可以用来制造射频和微波功率器件，各种高频整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。

功率器件的市场

VDMOS在2017年的Yole统计报告当中，市场空间有60亿美元，这里面大部分是40v以下的设备。从市场份额来看，我们关心的是汽车电子，不管是增长率和市场份额，都是最大的。其次是计算机和存储，它的市场份额特别大。但是因为PC的发展比较慢，所以它的增长率比较小。另外是网络通讯，虽然现在来看市场份额不大，但是增长率很快，基本上和汽车电子一样。大家知道在通讯行业我们国家还可以，比如华为和中兴在通讯行业是第一位和第四位，所以伴随着整机器件的发展，国内应该有很好的发展。

在2016年的统计报告当中，关于功率器件市场份额和一些重要的参与者，实际上0到40V体量是最大的。因为只要是手持器件，像数码相机、手机这些东西用量非常大，它的市场份额非常高。下面是40V到100V，这个为什么高呢？是因为做到了汽车，汽车电源是12V，很多是60到100V之间。大于400V这一部分统称为高压器件。谁是重要的参与者呢？从第一到十的排名，基本上没有中国厂商。客观来说，数到十五，中国厂商也很难排进去。第一名是很老牌的厂商，之前他的份额没那么多，三年前他收购了一个重要的厂商。第二位是On  Semi，所以整个来看，细分市场里面，欧美日把持了大部分厂家。

从VDMOS再细分一下，就是汽车电子，这个市场在2018年是14亿美金，增长比例每年逐渐增加的。前十位里面依然没有中国厂家。另外一个市场份额比较大的领域，是计算和存储市场，2018年的市场份额是14亿美元。但因为PC发展缓慢，是一个平稳的状态。即使这样，在这个非常大的市场领域前十名，也仍然没有中国厂家。严格来说，15位也没有。我们一直说是中国是制造大国，不是制造强国，因为在高端制造业当中，是找不到中国厂商的。

再看另外一种非常重要的功率器件IGBT。IGBT总体市场是在2018年开始接近50亿美元，重要的参与者我们也列了一下。IGBT的电压非常广，从400V到6500V都有应用，因此很难有厂家独吞一个市场，所以厂家选自己擅长的领域做。这是第一梯队、第二梯队、第三梯队。第一梯队仍然是infineon、三菱，轨道交通被ABB垄断，所以很难见到中国厂商。只是在4500V领域把中车放进去了，但严格来说中车没有大批量量产IGBT。所以整体在IGBT这么大的市场里面，中国的参与度也比较低。
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