功率半導(dǎo)體模塊的發(fā)展趨勢(shì)

1、碳化硅功率二極管

碳化硅功率二極管有三種類(lèi)型：肖特基二極管（SBD）、PiN二極管和結(jié)勢(shì)壘控制肖特基二極管（JBS）。由于存在肖特基勢(shì)壘，SBD具有較低的結(jié)勢(shì)壘高度。因此，SBD具有低正向電壓的優(yōu)勢(shì)。SiC SBD的出現(xiàn)將SBD的應(yīng)用范圍從250 V提高到了1200 V。同時(shí)，其高溫特性好，從室溫到由管殼限定的175℃，反向漏電流幾乎沒(méi)有增加。在3 kV以上的整流器應(yīng)用領(lǐng)域，SiC PiN和SiC JBS二極管由于比Si整流器具有更高的擊穿電壓、更快的開(kāi)關(guān)速度以及更小的體積和更輕的重量而備受關(guān)注。

2、單極型功率晶體管，碳化硅功率MOSFET器件

硅功率MOSFET器件具有理想的柵極電阻、高速的開(kāi)關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻和高穩(wěn)定性。在300V以下的功率器件領(lǐng)域，是首選的器件。有文獻(xiàn)報(bào)道已成功研制出阻斷電壓10 kV的SiC MOSFET。研究人員認(rèn)為，碳化硅MOSFET器件在3kV～5 kV領(lǐng)域?qū)⒄紦?jù)優(yōu)勢(shì)地位。盡管遇到了不少困難，具有較大的電壓電流能力的碳化硅MOSFET器件的研發(fā)還是取得了顯著進(jìn)展。

另外，有報(bào)道介紹，碳化硅MOSFET柵氧層的可靠性已得到明顯提高。在350℃條件下有良好的可靠性。這些研究結(jié)果表明柵氧層將有希望不再是碳化硅MOSFET的一個(gè)顯著的問(wèn)題。

3、碳化硅絕緣柵雙極晶體管（SiC BJT、SiC IGBT）和碳化硅晶閘管（SiC Thyristor）

最近報(bào)道了阻斷電壓12kV的碳化硅P型IGBT器件，并具有良好的正向電流能力。碳化硅IGBT器件的導(dǎo)通電阻可以與單極的碳化硅功率器件相比。與Si雙極型晶體管相比，SiC雙極型晶體管具有低20～50倍的開(kāi)關(guān)損耗以及更低的導(dǎo)通壓降。SiC BJT主要分為外延發(fā)射極和離子注入發(fā)射極BJT，典型的電流增益在10-50之間。

關(guān)于碳化硅晶閘管，有報(bào)道介紹了1平方厘米的晶閘管芯片，阻斷電壓5kV，在室溫下電流100A（電壓4.1V），開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)間在幾十到幾百納秒。

半導(dǎo)體模塊之間的差異，不僅僅體現(xiàn)在連接技術(shù)方面。另一個(gè)差別因素是附加有源和無(wú)源器件的集成度。根據(jù)集成度不同，可分為以下幾類(lèi)：標(biāo)準(zhǔn)模塊，智能功率模塊（IPM），（集成）子系統(tǒng)。在IPM被廣泛使用（尤其在亞洲地區(qū)）的同時(shí)，集成子系統(tǒng)的使用只剛剛起步。

1、智能功率模塊（IPMs）

智能功率模塊的特點(diǎn)在于除了功率半導(dǎo)體器件外，還有驅(qū)動(dòng)電路。許多IPM模塊也配備了溫度傳感器和電流平衡電路或用于電流測(cè)量的分流電阻。通常智能功率模塊也集成了額外保護(hù)和監(jiān)測(cè)功能，如過(guò)電流和短路保護(hù)，驅(qū)動(dòng)器電源電壓控制和直流母線(xiàn)電壓測(cè)量等。

然而，大部分智能功率模塊沒(méi)有對(duì)功率側(cè)的信號(hào)輸入進(jìn)行電氣隔離。只有極少數(shù)的IPM包含了一個(gè)集成光耦。另一種隔離方案是采用變壓器 進(jìn)行隔離。

通常，小規(guī)模的IPM的特點(diǎn)在于其引線(xiàn)框架技術(shù)。穿孔銅板用作功率開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)IC的載體。通過(guò)一層薄薄的塑料或絕緣金屬板進(jìn)行散熱。

用于中高功率應(yīng)用的IPM模塊的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是將模塊分為兩個(gè)層次。功率半導(dǎo)體在底部，驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路在上部。本領(lǐng)域內(nèi)名氣最大的IPM是賽米控的SKiiP？，已面市超過(guò)了10年。這種無(wú)底板IPM系列產(chǎn)品的最大額定電流是2400A，包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能，加上電流傳感器、電氣隔離和電源。這些模塊裝在風(fēng)冷或水冷冷卻器上，并在供貨前進(jìn)行全面的測(cè)試。

一個(gè)有趣的趨勢(shì)是將標(biāo)準(zhǔn)模塊升級(jí)為IPM。可直接或使用帶驅(qū)動(dòng)電路（通過(guò)彈簧連接）的適配器板來(lái)進(jìn)行升級(jí)。賽米控的SKYPERTM驅(qū)動(dòng)器是這方面理想的產(chǎn)品。

2、集成子系統(tǒng)

所有這些IPM的共同點(diǎn)是真實(shí)的“智能”，即將設(shè)定點(diǎn)值轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)脈沖序列的控制器不包含在模塊中。賽米控是250kW以下轉(zhuǎn)換器用集成子系統(tǒng)的核心制造商。SKAITM模塊也是IPM，其特點(diǎn)是集成了DSP控制器，除脈寬調(diào)制外，還可進(jìn)行其它通信任務(wù)。這些子系統(tǒng)也包含集成直流環(huán)節(jié)電容器，一個(gè)輔助電源，精密電流傳感器和一個(gè)液體冷卻器。