《高等电力电子技术》第一章

高等电力电子技术AdvancedPowerElectronics高等电力电子技术第一章电力电子半导体器件1234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。1970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：①功率二极管，②晶闸管，和③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①更高的功率容量，②更低的开关损耗，③更高的开关频率，④更紧凑的封装体积，⑤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。功率半导体二极管硅碳化硅普通二极管快恢复二极管肖特基二极管晶体管BJTMOSFET沟道型MOSFET“超级结”MOSMETIGBTNPTPT晶闸管相控晶闸管静态导通晶闸管GTO对称不对称反相导通IGCT不对称SGCTMTO肖特基二极管场效应器件SIT沟槽型IGBT场终止型IGBT光触发晶闸管砷化镓，金刚石等MOSFETMESFETJFET功率双极器件BJTIGBT电力电子半导体器件分类高等电力电子技术1.1电力电子器件发展概述10220050010324004000600010410220010317002500330055006000750012000104SCRIGBT(market)IGCT(market)1000V/100A(SanRex)60V/1000A(Semikron)200V/500A(Semikron)PowerMOSFET3300V/1200AModule(Eupec)2500V/1800APress-Pack(Fuji)1700V/2400AModule(Eupec)6500V/600A(Eupec)12000V/1500A(Mitsubishi)7500V/1650A(Eupec)6500V/2650A(ABB)5500V/2300A(ABB)6000V/6000AGTO(Mitsubishi)6000V/6000AIGCT(MitsubishiIGCTannounced)4800V/5000A(Westcode)4500V/4000A(Mitsubishi)GTO10010010101M100K10K1K100K10K1K100M10M1M目前应用范围未来应用范围ThyristorTRIAC直流输电电力汽车不间断电源电动控制机器人汽车开关电源高频供电电源GTO，IGCT晶闸管模块IGBT和IGBT模块MOSFET高频MOSFET微波炉电冰箱空调洗衣机冶炼，电解等运行频率(Hz)功率电力电子半导体器件应用功率等级分布电力电子半导体器件应用频率分布高等电力电子技术常规应用的晶闸管大致有以下几类：①强迫换流晶闸管，②门关断晶闸管，③反相导通晶闸管（RCT），④静态导通晶闸管(SITH)，⑤光触发硅控整流器(LASCR)，⑥MOS关断（MTO）晶闸管，⑦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晶闸管高等电力电子技术电力晶体管有四种类型：①BJT，②电力MOSFET，③IGBT和④SIT。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MOSFETRcs源极门极源极漏极PBASEN+N-N+substrateNR+CHRARCDRNR+JRDR门极漏极CHRNR+DRNR+门极沟槽N-层N+衬底P源极N+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：①沟道宽度过大，会引起结电容的增大，影响开关速度；②可能会引起短路电流过大；③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。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]，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”结构高等电力电子技术“超级结”结构原理图1.2.2“超级结”结构+P+n-n+-L1电场cEce深度L2P++P-P-n-n-ddn+-电场cecE深度+P+n-L1n+-rL2+P+P-P-n-n-ddn+-rr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”结构高等电力电子技术理想的“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”结构高等电力电子技术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。1.2.3COOLMOS3.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。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