开关电源功率半导体器件

在过去的20多年，出现了一些新功率半导体开关器件和功率模块，在如功率MOS-FET，绝缘栅双极晶体管IGBT，碳化硅（SiC）器件等领域都有了不同程度的新进展（以下未特别注明的MOSFET、IGBT或IGCT等，均是指用硅晶片制成的）。

1）功率MOSFET

1979年，功率MOSFET场效应晶体管问世。由于它的输入阻抗高、开关速度快和热稳定性好，可以完全代替功率晶体管GTR和中小电流的晶闸管，使电力电子电路如开关电源实现高频化成为可能。其电压电流定额已经达到了500V/240A、1500V/200A。功率MOSFET的特点是开关损耗小，但是通态功耗大，而且功率MOSFET的击穿电压UB越高，通态电阻RDS（on）越大。以理想的N沟道功率MOSFET为例，通态电阻RDS（on）和击穿电压UB有如下关系：

1989年，Infineon公司推出冷MOS管（Cco1MCGFET），它采用了超级结（Super-Junction）结构，故又称做超结功率MOSFET，工作电压为600～800V，通态电阻几乎降低了一个数量级，但仍保持着开关速度快的特点，是一种具有发展前途的高频功率半导体开关器件。

2）绝缘栅双极晶体管IGBT

1982年，B.J.Ba1iga将双极晶体管和功率MOSFET技术组合在一起，成功地开发出第－个绝缘栅双极晶体管，取名为IGT（InsulatedGateTransistor），后来国际电力电子界通称为GBT（Insu1atedGateBipo1arTransistor）。它是将MOS门极（栅极）的优良输人特性和双极晶体管的良好输出特性的功能集成在一起构成的。它的通态压降小、电流密度大，完全可以代替功率晶体管GTR和中小电流的晶问管，成为公认的最有发展前景的一种电力电子半导体开关器件。

IGBT的技术进展，实际上是通态压降、快速开关和高耐压能力三者的折中。IGBT的门极结构有平面型和沟型两种。随着工艺和结构形式的不同，在⒛多年的历史发展进程中，开发的IGBT有以下几种类型：穿通（pT）型、非穿通（NpT）型、软穿通（SpT）型、沟槽型和电场截止（pS）型等。IGBT的未来发展方向是：①逆阻型IGBT模块、减小输人电流畸变；②最佳模块组合，减小通态噪声；③控制du/dt和di/dt的能力，减少噪声发射。

据报道，IGBT则出现时，电压电流的额定值只有600V/25A。在很长的一段时间内耐压水平都限定在1200～1700V，经过长时间的探索研究和改造，现在IGBT的电压电流的额定值已经达到3300V/1200A、4500V/1800AL等，高压IGBT单片耐压甚至达到6500V。一般IGBT的工作频率上限为20～40kHz。基于pT结构、应用新技术所制造的IGBT，可以工作在150kHz（硬开关）和300kHz（软开关）。

3）集成门极换流晶间管IGCT

集成门极换流晶闸管（IntegratedGateCommutationThyristor）是1977年出现的一种新型高电压大电流开关器件，简称IGCT。它利用功率MOSFET的优点，将MOS技术与晶间管组合。它的损耗比可关断晶闸管GTO小，接线比GTO简单可靠，并可以采用风冷。现在已开始应用于中大型功率的电力电子变频调速系统，如MW级的变频器、新型的静止式无功功率补偿装置等。

4500V/4000AIGCT的参数为工作频率1kHz，正向压降为2.7V，di/dt=1000A/μs。

4）碳化硅功率半导体开关器件

碳化硅SiC（Si1iconCarbide）是功率半导体开关器件晶片的理想材料。其优点是：禁带宽、工作温度高（可达600℃）热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、pN结耐压高，有利于制造出耐高温的高频大功率半导体开关器件。

现在已经制造出40mmSiC晶片，1990年已有30mmSiC晶片上市，在电力电子技术中，开始用SiC器件代替Si器件。例如，SiC肖特基二极管已有商品问世，定额为300V、600V、1200V/20A，反向恢复时间接近于零，175℃以下SiC肖特基二极管的反向电流几乎不变。

据《电力电子》杂志2004年第4期报道，已经试制出一批SiC器件样品，如SiC功率MOSFET，定额为：750V/15mA，RDC（on）=66mΩ；1998年研制出耐压达1400V，通态电阻为311mΩ的SiC功率MOSFET。其他又如SiC晶闸管，950V/16A，通态压降为3.67V；1999年研制出耐压达790V，通态压降为1.5V，电流密度为75A/cm2的SiCIGBT。

可以预见，碳化硅将是21世纪最可能成为应用成功的新型功率半导体器件的材料。