常见的几种功率半导体器件
常见的几种功率半导体器件
半导体是我们生活中使用的电器里比较常用的一种器件，那么你对半导体有多少了解呢？今天我们就从最基础的半导体功率器件入手，全面了解半导体的“前世今生”。
电力电子器件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。
1、mct mos控制晶闸管 mct是一种新型mos与双极复合型器件。mct是将mosfet的高阻抗、低驱动下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：
· 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；
· 通态压降小、损耗小，通态压降约为11v；
· 极高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已达20kv/s，di/dt为2ka/s；
· 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
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。
4、ipem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。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
电力电子积木pebb（power electric building block）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。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。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。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。
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。
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。
9、高功率沟槽栅结构igbt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。
10、电子注入增强栅晶体管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。
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。
12、砷化镓二极管
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。
13、碳化硅与碳化硅（sic）功率器件
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。而且，sic器件的开关时间可达10ns量级，并具有十分优越的fbsoa。
而从发展历程看，功率半导体器件先后经历了：全盛于六七十年代的传统晶闸管、近二十年发展起来的功率mosfet及其相关器件，以及由前两类器件发展起来的特大功率半导体器件，它们分别代表了不同时期功率半导体器件的技术发展进程。
概括来说，功率半导体器件主要有功率模组、功率集成电路（即power ic，简写为pic，又称为功率ic）和分立器件三大类；其中，功率模组是将多个分立功率半导体器件进行模块化封装；功率ic对应将分立功率半导体器件与驱动/控制/保护/接口/监测等外围电路集成；而分立功率半导体器件则是功率模块与功率ic的关键。
这些功率器件在各自不同的领域发挥着各自重要的作用。不同功率半导体器件，其承受电压、电流容量、阻抗能力、体积大小等特性也会不同，实际使用中，需要根据不同领域、不同需求来选用合适的器件。
随着技术的不断进步，功率半导体器件在不断演进。自上世纪80年代起，功率半导体器件mosfet、igbt和功率集成电路逐步成为了主流应用类型。
目前，国际电力电子市场以年均15%的速度增长，电力电子器件的主要供应商集中在美国、日本以及欧洲，以硅基功率mosfet和igbt为代表的场控型器件占据国际市场的主导地位，其中igbt更是有高达30%的年均增长率。而sic和gan等新型材料电力电子器件，受到时间、技术成熟度和成本的制约，尚处于市场开拓初期，但前景不可小觑。
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电力电子器件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。
1、mct mos控制晶闸管 mct是一种新型mos与双极复合型器件。mct是将mosfet的高阻抗、低驱动下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：
· 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；
· 通态压降小、损耗小，通态压降约为11v；
· 极高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已达20kv/s，di/dt为2ka/s；
· 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
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。
4、ipem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。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
电力电子积木pebb（power electric building block）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。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。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。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。
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