功率半導體的概述

講座導語

DIPIPM^TM^是雙列直插型智能功率模塊的簡稱，由三菱電機于1997年正式推向市場，迄今已在家電、工業(yè)和汽車空調(diào)等領(lǐng)域獲得廣泛應用。本講座主要介紹DIPIPM^TM^的基礎(chǔ)、功能、應用和失效分析技巧，旨在幫助讀者全面了解并正確使用該產(chǎn)品。

1.1 功率半導體概述

1.1.1 功率半導體的定義

功率半導體又稱作電力半導體，是用來對電能進行轉(zhuǎn)換，對電路進行控制，改變電力變換裝置中的電壓或電流的波形?幅值?相位?頻率等參數(shù)的一種半導體器件。一般來說，功率半導體器件與非功率半導體器件沒有嚴格界定，例如具有1W以上的功率處理能力的半導體器件可以認為是功率半導體器件。如整流二極管?雙極型晶體管?晶閘管?GTO ^*1^ ?功率MOSFET ^*2^ ?IGBT ^*3^ ?IPM ^*4^ ?DIPIPM ^TM^ ^*5^都是被廣泛應用的功率半導體器件。

電力變換裝置是為了完成電力轉(zhuǎn)換，而將功率半導體器件及其附屬電路按照一定的拓撲結(jié)構(gòu)進行連接的電力變換系統(tǒng)。為了更好地理解功率半導體，不妨將電力變換裝置看做一匹馬，功率半導體器件就是馬的肌肉，用來為馬提供力量，而其它半導體元器件，如傳感器可以看做是馬的眼睛?鼻子?耳朵；CPU^*6^可以看做馬的大腦,如圖1所示。這匹馬的力量主要由肌肉決定的，與此類似電力變換裝置的輸出功率大小是由功率器件決定的，如圖2所示，其單位是大家熟知的瓦特（W），功率還有一個大家不太熟知的單位馬力（hp）,1馬力相當于一匹馬把75kg物體在1s內(nèi)提升1米高度所做的功，即1hp=735W。

正如生物進化是由環(huán)境決定反過來又重新塑造環(huán)境一樣，功率半導體的誕生和進化也是由于人類對于電氣設備需求的不斷增加和對低成本?高性能的持續(xù)追求下完成的。而功率器件的誕生和進化又使電氣設備及其電力變換裝置發(fā)生了本質(zhì)變化，電力變換裝置的可靠性?功能?成本?效率等各個方面又隨著新型功率半導體器件的誕生而不斷優(yōu)化發(fā)展。正如在家電領(lǐng)域，作為電力轉(zhuǎn)換裝置的變頻控制器最初采用的是分立功率晶體管，后來被IPM替代，而目前家電領(lǐng)域體積更小?成本更低?功能更強大的DIPIPM^TM^又替代了IPM成為家電變頻控制器的主流功率器件。功率半導體器件的每一次升級，都使變頻家電在體積?成本?可靠性?能效?噪聲等方面獲得巨大進步。

1.1.2 功率半導體的分類

功率半導體的分類有多種方式，比如按照驅(qū)動方式可分為電流控制型器件，這類器件必須有足夠的驅(qū)動電流才能導通，隨著器件容量的增加也需要更大的驅(qū)動功率，如晶閘管?功率晶體管?GTO等；電壓控制型器件，這類器件的開關(guān)只需要在門極施加一定的電壓和很小的驅(qū)動電流即可，因而電壓控制型器件只需要很小的驅(qū)動功率，驅(qū)動電路也相對簡單，如功率MOSFET?IGBT?IPM?DIPIPM^TM^等；光控型器件，這種器件一般是專門制造的電力半導體器件，其控制通過光纖和專用的光發(fā)射裝置來實現(xiàn)非電型控制，從而提高驅(qū)動電路的抗干擾性，如光控晶閘管等。

按照功率器件載流子性質(zhì)來分，可以分為雙極型器件?單極型器件?混合型器件。雙極型器件的內(nèi)部存在電子和空穴兩種載流子來參與導電過程，其導通壓降低?阻斷電壓高?電流容量大?開關(guān)頻率一般不高。如功率晶體管?GTO等；單極型器件指器件內(nèi)部只有一種載流子參與導電過程，其開關(guān)頻率一般較高，同時由于通態(tài)損耗相對較高，因而電流能力比雙極型器件低，適合功率較小的電力轉(zhuǎn)換裝置應用，如功率MOSFET等；混合型器件，也可以稱作復合型器件，它是由雙極型器件和單極型器件混合而成，因而兼具二者的優(yōu)勢，如耐壓高?電流密度大?導通壓降低，同時控制部分采用電壓驅(qū)動，驅(qū)動功率小?開關(guān)速度快，如IGBT?IEGT ^*7^ ?IPM?DIPIPM^TM^等。

需要指出的是與常規(guī)的分立功率器件如功率晶體管?功率MOSFET?分立IGBT等相比，IPM?DIPIPM^TM^是一種更高層次的電力半導體器件，它的內(nèi)部集成了功率器件與驅(qū)動電路?控制電路?保護電路等，使高壓大電流?發(fā)熱量高的功率器件與低壓小電流的控制電路有機的結(jié)合起來，使功率半導體器件應用更簡單?可靠性?集成度更高。表1是一些常用的功率半導體符號及基本電路。關(guān)于IPM與DIPIPM^TM^的功能介紹，以后的章節(jié)將詳細展開。

表1 常用功率半導體器件符號及特點

1.1.3 功率半導體功能及拓撲結(jié)構(gòu)

功率半導體器件是各種電力變換裝置的核心，本質(zhì)上它是一種電力開關(guān)，要求能夠在低阻狀態(tài)下流過從幾安培到幾千安培的電流，更能夠在毫秒甚至微秒時間內(nèi)對高達數(shù)千伏高電壓?數(shù)千安培的大電流進行切斷，通過多個功率半導體器件按照一定的拓撲結(jié)構(gòu)進行組合，在CPU的控制下，就能把電力按照負載所需進行變換，其基本功能框圖見圖3所示。

圖3 電力變換裝置功能框圖

一般來說電力變換裝置的功能有4種基本型式，即直-交（DC/AC）逆變模式?交-交（AC-AC）變頻模式?交-直（AC-DC）整流模式和直-直（DC-DC）變換模式。圖4是一種通用變頻器常用的AC-DC-AC電路的拓撲結(jié)構(gòu)，通過圖4的電力轉(zhuǎn)換裝置,來自電網(wǎng)的固定頻率?電壓的電能被轉(zhuǎn)換成了可以被負載利用的頻率?電壓可調(diào)的電能。在此電路中，整流橋工作在工頻開關(guān)狀態(tài)，需要承受大電流沖擊；而用于剎車保護的IGBT與反向功率二極管工作在間歇模式，只有母線電壓超過一定值時發(fā)揮作用，來防止母線過壓；而逆變電路中的IGBT和反并聯(lián)二極管則工作在高電壓?大電流的高頻開關(guān)模式，其損耗大，EMI^*8^噪聲也高。

圖4 AC-DC-AC電路拓撲圖

雖然電力轉(zhuǎn)換裝置的形式多種多樣，但一般以功率半導體器件?不同拓撲形式的電路和不同的控制策略作為基本組成元素，因此在分析功率器件的工作狀態(tài)時，必須結(jié)合具體的拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略來進行。

1.1.4 功率半導體的發(fā)展史

從20世紀50年代算起，功率半導體器件經(jīng)歷了70多年的發(fā)展，如果對功率半導體器件按照時間進行梳理的話，大體經(jīng)歷了3代。第一代器件主要以功率二極管和晶閘管為代表，是功率半導體器件發(fā)展早期的主要器件。第二代器件主要以GTO?雙極型晶體管和功率MOSFET為代表。這些器件相對于第一代器件最明顯的區(qū)別是能夠進行可控開關(guān)。第三代功率半導體器件主要以IGBT?IPM? DIPIPM ^TM^ ?IGCT^*9^為代表的高性能?多功能?高集成度的新一代功率器件。20世紀90年代后期，以碳化硅（SiC）?氮化鎵（GaN）為代表的新型半導體材料開始在功率器件中得到應用，為功率半導體的發(fā)展開啟了新的篇章。圖5對常見功率半導體器件的進化歷程進行了梳理。

圖5 功率半導體器件進化路線圖

由圖5可以看出，功率半導體器件進化的大致方向按照不可控制→電流控制→電壓控制；從小功率→中功率→大功率→超大功率；從分立器件→功率模塊→智能功率模塊→雙列直插智能功率模塊這幾條主線進行。三菱電機作為知名功率半導體器件制造商，一直致力于功率半導體器件的模塊化?智能化，從上世紀90代起先后開創(chuàng)了智能功率模塊IPM?DIPIPM^TM^等領(lǐng)域，為功率半導體行業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻。

在接下來的章節(jié)中，我們將重點圍繞三菱電機DIPIPM^TM^產(chǎn)品及應用進行詳細介紹，下面的內(nèi)容更精彩，敬請期待！

本講總結(jié)：

1）功率半導體器件是用來對電能進行轉(zhuǎn)換，改變電力變換裝置中的電壓或電流的波形?幅值?相位?頻率等參數(shù)的一種半導體器件。

2）整流二極管?雙極型晶體管?晶閘管?GTO?功率MOSFET?IGBT?IPM?DIPIPM^TM^都是目前被廣泛應用的功率半導體器件。

3）功率半導體器件的工作方式與其在電路拓撲中所處的位置密切相關(guān)。

4）IPM?DIPIPM^TM^是一種新型功率半導體器件，由IGBT進化而來，是比IGBT更高層次?功能更為強大的復合功率半導體器件。

*號術(shù)語列表

*1: GTO→門極關(guān)斷晶閘管（Gate turn off Thyristor）

*2: MOSFET→金屬場效應晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）

*3: IGBT→絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）

*4: IPM→智能功率模塊（ Intelligent Power Module）

*5: DIPIPM→雙列直插式智能功率模塊（Dual-in-line Intelligent Power Module）；DIPIPM^TM^是三菱電機株式會社注冊商標。

*6: CPU→中央處理器（Central Processing Unit)

*7: IEGT→電子注入增強型柵極晶體管（Injection Enhanced Gate Transistor)

*8: EMI:→電磁干擾（Electromagnetic Interference）

*9: IGCT→集成門極換流晶閘管（Integrated Gate Commutated Thyristor）