功率半导体器件分类和性能对比
担当功率开关的半导体器件就是功率半导体器件,大致有三大类。 (1)二极管(Diode):开关状态由主电路(功率电路)自身控制,因此又称为一被动开关、不可控开关。 (2)可控硅( Silicon controlled rectifier):又称为Thyristor(半导体闸流管),能够被低功率的控制信号打开,但只能由主电路(功率电路)自身来关断而不能被控制信号关断,因此又被称为半可控开关。 (3)可控开关(Controllable switch):开通与关断都能由 低功率的控制信号实现。 目前,商品化的半导体可控开关包括GTO、IGCT、田T与GTR、IGBT、VMOS,其电路符号如图1所示。
图1 半导体功率开关的电路符号
在半导体器件规模应用之前,电子管也曾经广泛用作功率开关。现在,功率半导体器件几乎全部取代了电子管器件,是因为我们特别在意功率开关的效。电子管器件自身的功耗很高,而且不能传送足够的电流。就像《西游记》里的“猪八戒”,虽然力气大,但是耐力不行,而且吃得太多;我们更需要“孙悟空”,效率高、耐力强,吃的还不多。换言之,就是“马儿要跑,最好还要不吃草”。效率降低包含两个方面的因素。 ·随着能量消费量的增加,能量的成本随之增加。 ·随着能量消费量的增加,设计的复杂程度增加,尤其是开关器件的散热问题变得尤为突出。表征这一因素的主要参数——“热阻”,就是半导体器件的核心参数之一。1.理想的功率开关 理想的功率开关波形如图2所示,具备以下几个特征。
图2 理想的功率开关波形
·开通、导电状态能传输无限量的电流。 ·关断、不导电状态能耐受无限量的电压。 ·开通、导电状态下,自身的电压降为0。 ·关断、不导电状态下,自身的泄露电流为0。 ·不限制开关的操作速度,上升时间和下降时间为0。 从上述特征来看,机械开关是比较理想的,但是开关速度低,难以实现自动控制。2.现实中的功率开关 现实中的电子功率开关波形如图3所示,其特征如下。
图3 现实中的功率开关波形
·功率容量受限:主要受限因素是电流。 开关速度受限:功率开关的开通与关断需要一定的时间,此时间内的功率开关处于放大状态,由 此带来的功耗称为开关功耗。 ·开通、导电状态存在导通压降(饱和压降),由 此带来的功耗称为通态功耗,也称为传输功耗、传导功耗。 ·关断、不导电的状态下存在泄露电流,由此带来的功耗称为静态功耗。3.常见功率半导体器件的工艺技术水 平比较 常见功率半导体器件的工艺技术水平比较见表1。为了对比,也将基本退出主流应用领域的电子管并列入内。
表1
类型 |
商用年代 |
电压规格 |
电流规格 |
开关频率 |
功率容量 |
驱动电路 |
注释 |
GVT(1) |
1920s(2) |
20kV |
10A |
10MHz |
100kW |
比较简单 |
1950s后应用渐少 |
MTR(3) |
1920s |
25kV |
20A |
10MHz |
100kW |
不需要 |
1950s后应用渐少 |
RD(4) |
1950s |
不需要 |
开关不可控 | ||||
SCR |
1957 |
6kV |
3.5kA |
500Hz |
100s(5)MW |
简单 |
栅控不可关断 |
GTO |
1962 |
8kV |
8kA |
1kHz |
10sMW |
非常简单 |
功率容量最高 |
IGCT |
1990s |
4.5kV |
2.2kA |
2kHz |
10sMW |
非常简单 |
功率容量最高 |
BJT |
1960s |
1.2kV |
40A |
5kHz |
1kW |
复杂 |
应用渐少 |
GTR |
1970s |
1.2kV |
400A |
5kHz |
1MW |
比较简单 |
应用渐少 |
VMOS |
1976 |
500V |
200A |
1MHz |
100kW |
非常简单 |
高频性能最好 |
IGBT |
1983 |
6.5kV |
2.4kA |
150kHz |
100sKW |
非常简单 |
综合性能好 |
(1) GVT:Gate controled Vacuum Tube,栅控电子管,包括三极管与多栅管。 (2) 1920s:20世纪20 年代,即 1920~1929 年,以下类同。 (3) MTR:Mercury Tube Rectifier,汞蒸气二极管,水银整流器,大功率电子二极管的主流。 (4) RD:Silicon Rectifying Diode,硅半导体二极管,功率半导体二极管的主流。 (5) 100sMW:l00MW以上,数百兆瓦,1MW= l000kW,以下类同。4.功率半导体 器件的应用领域 功率半导体器件的一般应用领域见表2。
表2 功率半导体器件的一般应用领域
(1)DIP-IPM:双列直插封装的IPM。 (2)IPM:智能功率模块,常见的是IGBT类,也有VMOS类。
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