电力电子半导体器件分类高等电力电子技术ppt课件.ppt

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1、高高 等等 电电 力力 电电 子子 技技 术术 Advanced Power ElectronicsAdvanced Power Electronics 1 高等电力电子技术高等电力电子技术 第一章 电力电子半导体器件 1 2 3 4 电力电子器件发展概述 功率MOSFET 绝缘栅双极型晶体管 基本内容 集成门极换向晶闸管的结构与工作原理 5 电力电子器件新材料 6 电力电子集成技术 2 高等电力电子技术高等电力电子技术 1 1 电力电子器件发展概述 自从1957年底第一代晶闸管SCR面世以来 电力电子半导体器件 发展迅猛 直到1970年 普通晶闸管开始在工业应 用中大量用于电力 控制 197

2、0年后 各种类型的电力电子半导体器件相继出现并逐步商 业化 其中 碳化硅器件正在迅速发展中 而绝大部分实际 工业应 用 的器件都是用硅材料制作的 这些器件大致可以分为三类 功率二极管 晶闸管 和 晶体 管 1 随着电力电子器件的应用范围扩 大和应用场合要求的提升 对 器件的发展要求也越来越提高 包括 更高的功率容量 更低的开关 损耗 更高的开关频率 更紧凑的封装体积 集成以及模块化设 计 大多在电力电子器件上应用的新技术都是围绕这 几点发展方向来 展开的 电力电子半导体器件分类 3 高等电力电子技术高等电力电子技术 1 1 电力电子器件发展概述 电力电子半导体器件应用功率等级分布 电力电子半导

3、体器件应用频率分布 4 高等电力电子技术高等电力电子技术 常规应 用的晶闸管大致有以下几类 强迫换流晶闸管 门关断 晶闸管 反相导通晶闸管 RCT 静态导 通晶闸管 SITH 光 触发硅控整流器 LASCR MOS关断 MTO 晶闸管 集成门极 换流晶闸管 IGCT 和对称门极换流晶闸管 SGCT 晶闸管的发展方向同样是增加单管的功率容量 同时增加对器件开 关的控制度 这一点在IGCT和SGCT以及光触发晶闸管的大量使用中可 以很明显的体现 IGCT和SGCT是将GTO芯片和门极驱动电 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 结合了晶体管和晶闸管两种器 件的优点 传统 GTO

4、器件很难关断 必须在门极加一个约为 器件额定 电流1 3的驱动电 流 并在1内将阴极所有的电流抽出 才能确保其快速 关断 而IGCT关断则是一个很快的瞬态过 程 器件完全按晶体管模式 关断 从而保证了完全受控的均匀关断 广泛应用于大功率电流型变流 器以及变频 器上 1 1 2 晶闸管 5 高等电力电子技术高等电力电子技术 电力晶体管有四种类型 BJT 电力MOSFET IGBT和 SIT 其中IGBT和电力MOSFET是最为广泛应用的电力电子器件 大 到直流输电 小到生活中的各种家用电器 到处都可以见到这两种器件 的身影 由于这两种器件主要应用于中等功率场合 相对于功率容量的 提升 各家器件公

5、司主要将发展和竞争重点放在损耗的降低上 纷纷 推 出新一代的IGBT和MOSFET器件 其中较为 典型的技术优 化为沟槽型 门极结构和垂直导电 技术的广泛应用 IGBT方面还有场终 止技术 空 穴阻抗技术等 功率MOSFET方面的典型代表则为 超级结 技术 新的 半导体材料在这两种器件上的应用则基本停留在实验 室阶段 1 1 3 电力晶体管 6 高等电力电子技术高等电力电子技术 功率MOSFET出现在70年代的晚期 它的出现主要来源于70年代中 期MOS技术的发展 不同于传统 的双极性开关管 BJT MOSFET属 于场效应管器件 是一种单极性电压 控制型器件 在导通状态下 仅 有多数载流子工

6、作 所以与电流控制型器件相比 所需的驱动 功率非常 小 并且多数载流子导电 的功率MOSFET显著减少了开关时间 因而 很容易达到100KHZ以上的开关频率 功率MOSFET是低压 200V 范围内最好的开关器件 但在高压应 用方面 其最大的特点是导通电阻 随耐压的2 5次方急剧上升 给高压功率MOSFET的应用带来很大困难 所以对于MOSFET的技术优 化基本都从这一点出发 1 2 功率MOSFET 7 高等电力电子技术高等电力电子技术 沟槽技术最早见于功率放大器和电能转换 装置的功率MOSFET 其 在传统 的MOS器件基础上做出了三项重大改革 1 垂直的安装漏极 实现 了垂直导电 将在传

7、统 MOS结构中与源极和栅极同时水平安装在 硅片顶部的漏极改装在硅片的底面上 这样 充分利用了硅片面积 基本 上实现 了垂直传导 漏源电流 消除了导通电阻中的JFET区阻抗部分 减小了RCH部分 为获 得大电流容量提供了前提条件 2 模仿GTR设置 了高电阻率的n 型漂移区 不仅提高了器件的耐压容量 而且降低了结 电容 并使沟道长度稳定 3 采用双重扩散技术代替光刻工艺控制沟 道长度 可以实现 精确的短沟道 降低沟道电阻值 提高工作速度 并 使输出特性具有良好的线性 1 2 1 沟槽型MOSFET 8 高等电力电子技术高等电力电子技术 可以看出 一方面沟槽门极元胞结构对于降低导通电阻Ron中的

8、 JFET区阻抗和沟槽阻抗部分十分有效 另一方面 MOSFET的承受电 压的增加需要厚的n层 而这会导致导通电阻中的Rd部分增加 而高电 阻率的n 型漂移区可以减少实际 需要的n层宽 度 通态导 通电阻Ron可表示为 RON RCS RN RCH RA RJ RD RN RCD 式中 RCS为源极阻抗 RCH为沟槽阻抗 RJ为JFET区阻抗 RN 为N 衬底阻抗 RA为缓 冲区阻抗 RD为N 漂移区阻抗 RCD为漏极阻抗 1 2 1 沟槽型MOSFET 沟槽型MOSFET的剖面结构及其电阻分布示意 不过沟槽门极结构也有一些相伴而生的缺点 沟道宽度 过大 会引起结电容的增大 影响开关速度 可能会

9、引起短 路电流过大 技术上难度较大 会降低成品率 另外 沟槽技术不仅适用于MOSFET 同样适用于IGBT 9 高等电力电子技术高等电力电子技术 正如上面所说 在功率半导体器件发展的历史上最重要的问题 就是 寻求如何通过新的器件结构和半导体材料来改善耐受电压 和导通压降 之间的矛盾 功率MOSFET作为单 极型器件 需要在耐受电压 和导通 电阻之间做一个综合考虑 同时在不降低器件性能的前提下减少器件尺 寸 近年来 一种被称为 超级结 结构的三维结 构概念被用于MOSFET 制造应用 并且在改善导通电阻和耐受电压 矛盾方面获得了显著的效 果 这种结构来源于电子科技大学陈星弼院士的中美发明专利 5

10、 其 主要思想是通过尽量提高功率器件漂移区浓度 即通过在器件不同维度 上引入新的电场 来达到对漂移区载流子的有效中和以获得一定的击穿 电压 1 2 2 超级结 结构 10 高等电力电子技术高等电力电子技术 超级结级结 结结构原理 图图 1 2 2 超级结 结构 11 高等电力电子技术高等电力电子技术 超级结 结构的主要特点是用N区与P区相互交替的形式代替了传 统上必须承担击穿电压 的N 漂移区 而这种区域的交替是在水平方向的 电场 其作用 所以并不影响垂直方向的电场 其剖面结构如图b所示 当 超级结结 构 的MOSFET处于阻断状态时 由N 漂移区和柱状P型区 形成的PN结边缘 的空间电 荷区

11、不断扩散 最终导 致整个漂移区被完全 耗尽 电势 分布从源端到漏端线性增加 电场 分布趋于理想的均匀分布 这样 阻断电压 不仅建立起了纵向电场 而且同样建立起了横向电场 即实现 更高的阻断电压 而不需要降低漂移区的掺杂浓 度 只需要 增加N 漂移区的厚度和P区的厚度 满足了击穿电压 的要求 因此 超级 结 结构的MOSFET通态电 阻与阻断电压 之间接近线性关系 当 超级 结 结构的MOSFET处于导通状态时 如图d所示 电子从源极出发然 后经过 N 漂移区到达漏极 由于N 漂移区具有较高的掺杂浓 度 所以导 通电阻大大减少 1 2 2 超级结 结构 12 高等电力电子技术高等电力电子技术 理

12、想的 超级结 结构特性很好 但工艺上实现还 比较困难 必须通 过多次外延或刻蚀加离子注入的方法来实现 为了规避这些技术难题 又提出一些新的方案 例如将 超级结 结构与垂直导电 双扩散MOS结 构 VDMOS 结合的 半超级结 结构 这实际 上是通过MOS系统来代替 PN结提供额外电场 的类 超级结 结构 即用蚀刻氧化形成一定厚度的边 氧并用多晶硅或高浓度的N 或P 提供电极 从而和 超级结 一样能够提 供新的电场 来进行补偿 这种工艺相对来说简单 一些 这些新的方案 原理基本都与 超级结 结构类似 是在性能和工艺难 度上的折中选择 1 2 3 超级结 结构 13 高等电力电子技术高等电力电子技

13、术 COOLMOS为英飞凌公司注册推出的采用 超级结 结构的新一代 MOSFET 已广泛应用于各种中小功率电力电子装置中 8 COOLMOS相对于传统 MOSFET所体现的优势 在于 1 导通电阻的降低 英飞凌公司推出的COOLMOS 耐压为 600V和 800V的器件与传统 MOSFET相比 相同的管芯面积条件下 导通电阻 分别下降为传统 MOSFET的1 5和1 10 相同的额定电流条件下 导通 电阻分别下降为传统 MOSFET的1 2 1 3 导通电阻的降低是COOLMOS 相对于传统 MOSFET的最大好处 也是英飞凌公司将其命名为 COOLMOS的主要原因 2 封装的减小 相同额定电

14、流的COOLMOS的管芯减小为传统 MOSFET的1 3 1 4 所以COOLMOS的封装也可以大大减小 1 2 3 COOLMOS 3 开关特性的改善 COOLMOS的栅极电荷及与开关特性相关的参数 均优于传统MOSFET 因此在额定电压电流的情况下COOLMOS会有更 好的高频表现 其开关时间约为传统MOSFET的1 2 4 短路工作安全区 COOLMOS的最大特点之一就是其具有短路安全 工作区 SCSOA 而传统MOSFET不具有这种特性 COOLMOS获得 SCSOA的主要原因是其转移特性的变化 COOLMOS的转移特性表现为 随着栅 源电压的增加 COOLMOS的漏极电流不会上升到足

15、以损坏器件 的地步 COOLMOS在短路时所耗散的功率受到了限制 尽可能地减少 了短路时管芯的发热 同时由于管芯热阻的降低 可使管芯产生的热量 迅速地散发到管壳 抑制了管芯温度的上升 14 高等电力电子技术高等电力电子技术 不过 由于 超级结 结构在电荷均衡的工艺上有一定的难度 所以 制造阻断电压 1000V以上的COOLMOS具有较大的困难 此外 COOLMOS的 内部寄生反向二极管的反向恢复特性和电导 率难以达到传统 MOSFET的技 术指标 所以COOLMOS一般不适用于中大功率变流器装置 1 2 3 COOLMOS 15 高等电力电子技术高等电力电子技术 1 3 绝缘栅 双极型晶体管

16、绝缘栅 双极型晶体管 Insolated Gate Bipolar Transistor IGBT 是上世纪80年代初为解决 MOSFET的高导通电压 难以制成兼有高电压 和大电流特性和GTR的工作频率低 驱动电 路功 率大等不足而出现的双机理复合器件 由于它将MOSFET和GTR的优点集于一身 既具 有输入阻抗高 速度快 热稳定性好 且驱动电 路简单 驱动电 流小等优点 又具有通态压降 小 耐压高及承受电流大等优点 因此发展很快 16 高等电力电子技术高等电力电子技术 从结构图可以看出 IGBT 相当于一个由MOSFET驱动 的厚基区GTR 其简化等效 电路如图1 6所示 图1 6 IGBT的简化等效图 1 3 绝缘栅 双极型晶体管 17 高等电力电子技术高等电力电子技术 1 3 1 应用于IGBT的新器件制造技术 1 3 2 穿通型IGBT 1 3 3 非穿通型IGBT 1 3 4场终止型IGBT 1 3 5 其他新型IGBT 1 3 绝缘栅 双极型晶体管 18 高等电力电子技术高等电力电子技术 1 3 1 应用于IGBT的新器件制造技术 早期的IGBT 已经获得了比功率MOSFE