功率半導(dǎo)體模塊的發(fā)展趨勢

1、碳化硅功率二極管

碳化硅功率二極管有三種類型：肖特基二極管（SBD）、PiN二極管和結(jié)勢壘控制肖特基二極管（JBS）。由于存在肖特基勢壘，SBD具有較低的結(jié)勢壘高度。因此，SBD具有低正向電壓的優(yōu)勢。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的一個顯著的問題。

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。另一個差別因素是附加有源和無源器件的集成度。根據(jù)集成度不同，可分為以下幾類：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)測功能，如過電流和短路保護(hù)，驅(qū)動器電源電壓控制和直流母線電壓測量等。

然而，大部分智能功率模塊沒有對功率側(cè)的信號輸入進(jìn)行電氣隔離。只有極少數(shù)的IPM包含了一個集成光耦。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)在于其引線框架技術(shù)。穿孔銅板用作功率開關(guān)和驅(qū)動IC的載體。通過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)是將模塊分為兩個層次。功率半導(dǎo)體在底部，驅(qū)動器和保護(hù)電路在上部。本領(lǐng)域內(nèi)名氣最大的IPM是賽米控的SKiiP？，已面市超過了10年。這種無底板IPM系列產(chǎn)品的最大額定電流是2400A，包括一個驅(qū)動器和保護(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)行全面的測試。

一個有趣的趨勢是將標(biāo)準(zhǔn)模塊升級為IPM。可直接或使用帶驅(qū)動電路（通過彈簧連接）的適配器板來進(jìn)行升級。賽米控的SKYPERTM驅(qū)動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，一個輔助電源，精密電流傳感器和一個液體冷卻器。