電力電子半導體器件分類高等電力電子技術ppt課件

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高 等 電 力 電 子 技 術,Advanced Power Electronics,1,第一章 電力電子半導體器件,,,,,,1,2,3,4,電力電子器件發(fā)展概述,功率MOSFET,絕緣柵雙極型晶體管,基本內(nèi)容,,5,,6,2,1.1 電力電子器件發(fā)展概述,自從1957年底第一代晶閘管SCR面世以來，電力電子半導體器件發(fā)展迅猛。直到1970年，普通晶閘管開始在工業(yè)應用中大量用于電力控制。1970年后，各種類型的電力電子半導體器件相繼出現(xiàn)并逐步商業(yè)化。其中，碳化硅器件正在迅速發(fā)展中，而絕大部分實際工業(yè)應用的器件都是用硅材料制作的。 這些器件大致可以分為三類：①功率二極管，②晶閘管，和③晶體管[1]。隨著電力電子器件的應用范圍擴大和應用場合要求的提升，對器件的發(fā)展要求也越來越提高，包括①更高的功率容量，②更低的開關損耗，③更高的開關頻率，④更緊湊的封裝體積，⑤集成以及模塊化設計。大多在電力電子器件上應用的新技術都是圍繞這幾點發(fā)展方向來展開的。,,,電力電子半導體器件分類,3,1.1 電力電子器件發(fā)展概述,,電力電子半導體器件應用功率等級分布,電力電子半導體器件應用頻率分布,4,常規(guī)應用的晶閘管大致有以下幾類：①強迫換流晶閘管，②門關斷晶閘管，③反相導通晶閘管（RCT），④靜態(tài)導通晶閘管(SITH)，⑤光觸發(fā)硅控整流器 (LASCR)， ⑥MOS關斷（MTO）晶閘管，⑦集成門極換流晶閘管（IGCT）和對稱門極換流晶閘管（SGCT）。 晶閘管的發(fā)展方向同樣是增加單管的功率容量，同時增加對器件開關的控制度，這一點在IGCT和SGCT以及光觸發(fā)晶閘管的大量使用中可以很明顯的體現(xiàn)。 IGCT和SGCT是將GTO芯片和門極驅動電路集成在一起，再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接，結合了晶體管和晶閘管兩種器件的優(yōu)點。傳統(tǒng)GTO器件很難關斷，必須在門極加一個約為器件額定電流1/3的驅動電流，并在1內(nèi)將陰極所有的電流抽出，才能確保其快速關斷。而IGCT關斷則是一個很快的瞬態(tài)過程，器件完全按晶體管模式關斷，從而保證了完全受控的均勻關斷，廣泛應用于大功率電流型變流器以及變頻器上。,1.1.2 晶閘管,5,電力晶體管有四種類型：①BJT，②電力MOSFET，③IGBT和④SIT。其中IGBT和電力MOSFET是最為廣泛應用的電力電子器件，大到直流輸電，小到生活中的各種家用電器，到處都可以見到這兩種器件的身影。由于這兩種器件主要應用于中等功率場合，相對于功率容量的提升，各家器件公司主要將發(fā)展和競爭重點放在損耗的降低上，紛紛推出新一代的IGBT和MOSFET器件，其中較為典型的技術優(yōu)化為溝槽型門極結構和垂直導電技術的廣泛應用， IGBT方面還有場終止技術、空穴阻抗技術等，功率MOSFET方面的典型代表則為“超級結”技術。新的半導體材料在這兩種器件上的應用則基本停留在實驗室階段。,1.1.3 電力晶體管,6,功率MOSFET出現(xiàn)在70年代的晚期，它的出現(xiàn)主要來源于70年代中期MOS技術的發(fā)展，不同于傳統(tǒng)的雙極性開關管（BJT），MOSFET屬于場效應管器件，是一種單極性電壓控制型器件。在導通狀態(tài)下，僅有多數(shù)載流子工作，所以與電流控制型器件相比，所需的驅動功率非常小，并且多數(shù)載流子導電的功率MOSFET顯著減少了開關時間，因而很容易達到100KHZ以上的開關頻率，功率MOSFET是低壓（＜200V）范圍內(nèi)最好的開關器件，但在高壓應用方面，其最大的特點是導通電阻隨耐壓的2.5次方急劇上升，給高壓功率MOSFET的應用帶來很大困難。所以對于MOSFET的技術優(yōu)化基本都從這一點出發(fā)。,1.2 功率MOSFET,7,溝槽技術最早見于功率放大器和電能轉換裝置的功率MOSFET，其在傳統(tǒng)的MOS器件基礎上做出了三項重大改革：1. 垂直的安裝漏極，實現(xiàn)了垂直導電，將在傳統(tǒng)MOS結構中與源極和柵極同時水平安裝在硅片頂部的漏極改裝在硅片的底面上，這樣充分利用了硅片面積，基本上實現(xiàn)了垂直傳導漏源電流，消除了導通電阻中的JFET區(qū)阻抗部分，減小了RCH部分,為獲得大電流容量提供了前提條件。2. 模仿GTR設置了高電阻率的n-型漂移區(qū)，不僅提高了器件的耐壓容量，而且降低了結電容，并使溝道長度穩(wěn)定。3. 采用雙重擴散技術代替光刻工藝控制溝道長度，可以實現(xiàn)精確的短溝道，降低溝道電阻值，提高工作速度，并使輸出特性具有良好的線性。,1.2.1 溝槽型MOSFET,8,可以看出，一方面溝槽門極元胞結構對于降低導通電阻Ron中的JFET區(qū)阻抗和溝槽阻抗部分十分有效，另一方面，MOSFET的承受電壓的增加需要厚的n層，而這會導致導通電阻中的Rd部分增加，而高電阻率的n-型漂移區(qū)可以減少實際需要的n層寬度。 通態(tài)導通電阻Ron可表示為： RON=RCS+RN++RCH+RA+RJ+RD+RN++RCD 式中，RCS為源極阻抗；RCH為溝槽阻抗；RJ為JFET區(qū)阻抗；RN+為N+襯底阻抗；RA為緩沖區(qū)阻抗；RD為N-漂移區(qū)阻抗；RCD為漏極阻抗。,1.2.1 溝槽型MOSFET,,溝槽型MOSFET的剖面結構及其電阻分布示意,不過溝槽門極結構也有一些相伴而生的缺點：①溝道寬度 過大，會引起結電容的增大，影響開關速度；②可能會引起短 路電流過大；③技術上難度較大，會降低成品率。 另外，溝槽技術不僅適用于MOSFET，同樣適用于IGBT。,9,正如上面所說，在功率半導體器件發(fā)展的歷史上最重要的問題就是尋求如何通過新的器件結構和半導體材料來改善耐受電壓和導通壓降之間的矛盾。功率MOSFET作為單極型器件，需要在耐受電壓和導通電阻之間做一個綜合考慮，同時在不降低器件性能的前提下減少器件尺寸。 近年來，一種被稱為“超級結”結構的三維結構概念被用于MOSFET制造應用，并且在改善導通電阻和耐受電壓矛盾方面獲得了顯著的效果。這種結構來源于電子科技大學陳星弼院士的中美發(fā)明專利[5]，其主要思想是通過盡量提高功率器件漂移區(qū)濃度，即通過在器件不同維度上引入新的電場來達到對漂移區(qū)載流子的有效中和以獲得一定的擊穿電壓。,1.2.2 “超級結”結構,10,“超級結”結構原理圖,1.2.2 “超級結”結構,,,11,“超級結”結構的主要特點是用N區(qū)與P區(qū)相互交替的形式代替了傳統(tǒng)上必須承擔擊穿電壓的N-漂移區(qū)，而這種區(qū)域的交替是在水平方向的電場其作用，所以并不影響垂直方向的電場。其剖面結構如圖b所示，當“超級結結構”的MOSFET處于阻斷狀態(tài)時，由N-漂移區(qū)和柱狀P型區(qū)形成的PN結邊緣的空間電荷區(qū)不斷擴散，最終導致整個漂移區(qū)被完全耗盡，電勢分布從源端到漏端線性增加，電場分布趨于理想的均勻分布。這樣阻斷電壓不僅建立起了縱向電場，而且同樣建立起了橫向電場，即實現(xiàn)更高的阻斷電壓，而不需要降低漂移區(qū)的摻雜濃度，只需要增加N-漂移區(qū)的厚度和P區(qū)的厚度，滿足了擊穿電壓的要求，因此“超級結”結構的MOSFET通態(tài)電阻與阻斷電壓之間接近線性關系。當“超級結”結構的MOSFET處于導通狀態(tài)時，如圖d所示，電子從源極出發(fā)然后經(jīng)過N-漂移區(qū)到達漏極。由于N-漂移區(qū)具有較高的摻雜濃度，所以導通電阻大大減少。,1.2.2 “超級結”結構,12,理想的“超級結”結構特性很好，但工藝上實現(xiàn)還比較困難，必須通過多次外延或刻蝕加離子注入的方法來實現(xiàn)，為了規(guī)避這些技術難題，又提出一些新的方案。例如將“超級結”結構與垂直導電雙擴散MOS結構（VDMOS）結合的 “半超級結”結構，這實際上是通過MOS系統(tǒng)來代替PN結提供額外電場的類“超級結”結構，即用蝕刻氧化形成一定厚度的邊氧并用多晶硅或高濃度的N+或P+提供電極，從而和“超級結”一樣能夠提供新的電場來進行補償，這種工藝相對來說簡單一些。這些新的方案原理基本都與“超級結”結構類似，是在性能和工藝難度上的折中選擇。,1.2.3 “超級結”結構,13,COOLMOS為英飛凌公司注冊推出的采用“超級結”結構的新一代MOSFET，已廣泛應用于各種中小功率電力電子裝置中[8]，COOLMOS相對于傳統(tǒng)MOSFET所體現(xiàn)的優(yōu)勢在于： 1.導通電阻的降低 英飛凌公司推出的COOLMOS，耐壓為600V和800V的器件與傳統(tǒng)MOSFET相比，相同的管芯面積條件下，導通電阻分別下降為傳統(tǒng)MOSFET的1/5和1/10；相同的額定電流條件下，導通電阻分別下降為傳統(tǒng)MOSFET的1/2~1/3.導通電阻的降低是COOLMOS相對于傳統(tǒng)MOSFET的最大好處，也是英飛凌公司將其命名為COOLMOS的主要原因。 2.封裝的減小 相同額定電流的COOLMOS的管芯減小為傳統(tǒng)MOSFET的1/3~1/4，所以COOLMOS的封裝也可以大大減小。,1.2.3 COOLMOS,3.開關特性的改善 COOLMOS的柵極電荷及與開關特性相關的參數(shù) 均優(yōu)于傳統(tǒng)MOSFET。因此在額定電壓電流的情況下COOLMOS會有更 好的高頻表現(xiàn)，其開關時間約為傳統(tǒng)MOSFET的1/2。 4.短路工作安全區(qū) COOLMOS的最大特點之一就是其具有短路安全 工作區(qū)（SCSOA），而傳統(tǒng)MOSFET不具有這種特性。COOLMOS獲得 SCSOA的主要原因是其轉移特性的變化。COOLMOS的轉移特性表現(xiàn)為 隨著柵-源電壓的增加，COOLMOS的漏極電流不會上升到足以損壞器件 的地步，COOLMOS在短路時所耗散的功率受到了限制，盡可能地減少 了短路時管芯的發(fā)熱。同時由于管芯熱阻的降低，可使管芯產(chǎn)生的熱量 迅速地散發(fā)到管殼，抑制了管芯溫度的上升。,14,不過，由于“超級結”結構在電荷均衡的工藝上有一定的難度，所以制造阻斷電壓1000V以上的COOLMOS具有較大的困難。此外，COOLMOS的內(nèi)部寄生反向二極管的反向恢復特性和電導率難以達到傳統(tǒng)MOSFET的技術指標，所以COOLMOS一般不適用于中大功率變流器裝置。,1.2.3 COOLMOS,15,1.3 絕緣柵雙極型晶體管,絕緣柵雙極型晶體管(Insolated Gate Bipolar Transistor---IGBT),是上世紀80年代初為解決MOSFET的高導通電壓、難以制成兼有高電壓和大電流特性和GTR的工作頻率低、驅動電路功率大等不足而出現(xiàn)的雙機理復合器件。 由于它將MOSFET和GTR的優(yōu)點集于一身，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好，且驅動電路簡單、驅動電流小等優(yōu)點，又具有通態(tài)壓降小、耐壓高及承受電流大等優(yōu)點，因此發(fā)展很快。,16,從結構圖可以看出，IGBT相當于一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)GTR,其簡化等效電路如圖1-6所示。,圖1-6 IGBT的簡化等效圖,1.3 絕緣柵雙極型晶體管,17,1.3.1 應用于IGBT的新器件制造技術 1.3.2 穿通型IGBT 1.3.3 非穿通型IGBT 1.3.4場終止型IGBT 1.3.5 其他新型IGBT,1.3 絕緣柵雙極型晶體管,18,1.3.1 應用于IGBT的新器件制造技術,早期的IGBT，已經(jīng)獲得了比功率MOSFET低的通態(tài)壓降和比雙極性器件更高的工作頻率，但是通態(tài)損耗相對雙極性器件仍然相對較大，SOA范圍較小，成本較高，且具有負溫度系數(shù)，不利于并聯(lián)使用 1 透明集電極技術 透明集電極技術應用于集電極區(qū)（下層），把IGBT的集電極的空穴注入效率降低到0.5以下，使通過集電極的的總電流中電子流起主要作用，一般達到70%以上。在IGBT關斷時，n-區(qū)存儲的過剩電子能透過集電區(qū)迅速流出，實現(xiàn)快速關斷。,19,2 電場終止技術 電場終止技術（field stop）FS技術應用于n-層（中層），其核心是在n-層與p型集電區(qū)之間加入一個比n-區(qū)寬度小而摻雜濃度高的n+緩沖層，使得電場強度在該層中迅速減少到零，同時提高n-區(qū)的電阻率，從而可以較薄的耐壓層實現(xiàn)相同的擊穿電壓。,1.3.1 應用于IGBT的新器件制造技術,20,3 上層結構新技術 1.溝槽柵技術：該技術和MOSFET的溝槽門極技術概念完全一致，都是利用挖槽的概念，在IGBT的柵氧化層和柵電極做在溝槽的側壁上，形成垂直溝道。 2.近表層載流子濃度增高技術：一般IGBT中，從p型集電區(qū)注入到n-層的空穴向上的電荷運動過程中濃度是逐漸降低的，所以n-層中越接近p型集電區(qū)的部分電導調(diào)制作用越弱，通態(tài)電阻就越大。所謂近表層載流子濃度增高技術就是利用各種方法盡最大可能來提高這一區(qū)域的電子空穴對濃度，來增強電導調(diào)制效應，減少通態(tài)電阻。,1.3.1 應用于IGBT的新器件制造技術,21,1.3.2 穿通型IGBT,PT型IGBT在其內(nèi)部有一個強發(fā)射極，使器件在通態(tài)時可以獲得大量的少數(shù)載流子。IGBT在阻斷狀態(tài)下，電場的分布呈不規(guī)則四邊形，對于一定的耐壓，n-層可以設計得很薄，但由于其硅片較厚，制造工藝復雜，價格比NPT型IGBT高。其唯一優(yōu)點是通態(tài)壓降較小。,,22,1.3.3 非穿通型IGBT,其最大的特點就是采用了透明集電極的技術. 集電極電流中大部分為電子電流，而不是空穴電流，其工作機理以電導調(diào)制MOSFET 為主。,,23,1.3.4 場終止型IGBT,場終止型IGBT采用了電場終止技術，主要針對NPT型IGBT寬 n-基區(qū)的缺點來進行優(yōu)化的，圖1-10為場終止型IGBT的結構。,,24,總結,25,1.3.5 其他新型IGBT,①透明集電區(qū)溝槽柵場終止型IGBT（Trench，F(xiàn)S型IGBT）集合了溝槽技術、FS 技術和透明集電區(qū)技術，具有極低的功率損耗； ②注入增強柵晶體管（Injection Enhanced Gate Transistor，簡稱IEGT）采用了加寬pnp管間距的近表面層注入載流子濃度增強技術，集合了表面層注入載流子增強技術與Trench技術、FS技術、透明集電區(qū)技術； ③高電導率IGBT （High-Conductivity IGBT，簡稱HiGT）有很多不同結構。它在非透明集電區(qū)PT-IGBT的基礎上，采用空穴阻擋層技術使總功耗顯著降低,26,1.4 集成門極換向晶閘（IGCT）的結構與工作原理,IGCT是在門極關斷晶閘管的基礎上改良得到的器件，它把集成門極換向電路和門極換向晶閘管（GCT）組合在一起，實際上是一種關斷增益為1的GTO，具有高耐壓、低通態(tài)壓降、緩沖和驅動電路簡單的優(yōu)點，可以穩(wěn)定的工作在高壓大功率的場合，是大功率開關器件的換代產(chǎn)品。,27,1.4.1 IGCT的結構和特點,IGCT的關鍵思想是將改進結構的GTO和極低電感的門極驅動器結合起來，除了門極驅動單元外，IGCT由單個GCT組成。門極驅動器與GCT之間有一定的距離，以滿足不同形式的構件要求. IGCT主要分為非對稱型、反向阻斷型和逆導型三種類型。除了門極驅動單元外，非對稱IGCT由單個GCT組成的；反向阻斷型IGCT是為電流型優(yōu)化設計的具有反向阻斷能力的IGCT器件，也稱為SGCT；逆導型IGCT是由反并聯(lián)續(xù)流二極管和GCT集成的。,28,,,1.硬驅動 由于IGCT驅動單元的特殊設計，其門極和陰極的雜散電感大大降低，僅為同容量級的GTO的1/10，關斷時所承受的di/dt可以比標準的GTO驅動大兩個數(shù)量級，可以使用硬驅動。,2.緩沖層 緩沖層是在高阻層N-和陽極的P+ 發(fā)射極之間參雜的N層。在陽極附近設置緩沖層的目的是為了在相同的阻斷電壓下減小硅片的厚度，進而減小通態(tài)和關斷損耗。,3.透明陽極發(fā)射極 為了實現(xiàn)較低的通態(tài)壓降，晶閘管結構仍然保留導通器件特性，而為了同時獲得小的關斷損耗，陽極三極管的增益被限制并且被做成很薄并且弱摻雜。以便在關斷階段，當陽極電壓開始建立時，電子可以通過發(fā)射極被清除出去而不需中和空穴。電子這種在關斷時不需激發(fā)就可以穿過陽極的特性，被稱為透明發(fā)射極。,1.4.1 IGCT的結構和特點,29,1.4.2 IGCT工作原理,IGCT工作原理主要取決于GCT的工作過程。總體說來，GCT的開通機理和GTO完全一樣，但關斷過程有很大的差別，其等效原理圖如圖1-14所示 。,,30,當GCT工作在導通狀態(tài)時，是一個晶閘管一樣的正反饋開關，攜帶電流能力強而且通態(tài)壓降低，導通機理與GTO完全一致。當器件需要關斷時，門極P溝道MOSFET先導通，部分主電流從陰極向門極換相，然后陰極N溝道MOSFET關斷，使主電流完全通過門極流出，此過程轉換時間約為1us，在關斷狀態(tài)下，GCT門極和在IGCT關斷過程中，GCT的門極和陰極之間的PN結提前進入反向偏置，并有效的退出工作，使整個器件成為一個無接觸基區(qū)的晶體管，如晶體管一樣均勻關斷。與GTO完全不同，它沒有載流子收索效應。,1.4.2 IGCT工作原理,31,GCT的開通和關斷示意圖如圖1-15所示，GCT關斷時的電壓、電流波形如圖1-16所示。,,圖1-15 GCT的開通和關斷示意圖,,圖1-16 IGCT無吸收電路的關斷波形,1.4.2 IGCT工作原理,32,1.5 電力電子器件新材料,電力半導體技術主要從兩方面進行研究： 傳統(tǒng)器件結構的不斷優(yōu)化與改進 寬禁帶半導體材料的應用 其中最有意義的是碳化硅、氮化鎵和氧化鋅，這些材料的共同特點是它們的禁帶寬度在3.3到3.5電子伏之間, 是硅的3倍, 比砷化鎵的禁帶寬度也大了兩倍以上，因而它們一般具有高的擊穿電場、高的熱導率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力,因而更適合于制作高溫、高頻及大功率器件。,33,1.5.1 碳化硅材料和碳化硅電力電子器件,碳化硅作為典型的寬禁帶半導體之一，被人稱成為第三代半導體，尤其在制造電力電子器件方面具有廣闊的應用前景。用碳化硅做成的器件，其最高工作溫度有可能超過600攝氏度；碳化硅的擊穿電場強度是硅的8倍，其電子飽和漂移速度是硅的2倍，這更有利于提高器件的工作頻率，因而碳化硅器件的工作頻率可達硅器件的10倍以上；此外，碳化硅還是本世紀初唯一可以用熱氧化法生成高品質本體氧化物的化合物半導體，這使其也可以像硅一樣用來制造MOSFET和IGBT這樣含有MOS結構的器件。 碳化硅材料已被證明是電力電子器件的未來重要發(fā)展方向。,34,碳化硅肖特基勢壘二極管的研發(fā)水平已達到高壓器件阻斷電壓超過20kV，大電流器件通態(tài)電流130A、阻斷電壓高達5kV的水平，并且在所有碳化硅器件中率先實現(xiàn)實用化，并投放市場。,,碳化硅肖特基二極管結構示意圖,1.5.1 碳化硅材料和碳化硅電力電子器件,35,,碳化硅功率MOSFET是研究最深入的場效應器件，在結構上與硅材料功率MOSFET沒有太大區(qū)別,其優(yōu)勢在于夠兼顧阻斷電壓和通態(tài)電阻。,碳化硅MOSFET結構示意圖,1.5.1 碳化硅材料和碳化硅電力電子器件,36,碳化硅MESFET由于沒有SiC-SiO2界面，其溝道載流子的等效遷移率較高，因而將碳化硅MESFET作為微波器件來開發(fā)。,,碳化硅MESFET結構示意圖,1.5.1 碳化硅材料和碳化硅電力電子器件,37,結型場效應晶體管（JFET）因為不需要制作柵氧化層而受到碳化硅場效應器件開發(fā)者們的重視。近些年，SiC型JFET的研發(fā)水平達到2000V左右。,,碳化硅JFET結構示意圖,1.5.1 碳化硅材料和碳化硅電力電子器件,38,碳化硅IGBT的優(yōu)越性只在阻斷電壓高于10000伏情況下才能突顯出來。近年來，關于碳化硅高壓IGBT的研發(fā)工作已有較大進展。所遇到的主要困難是：p溝道IGBT的源電極接觸電阻偏高, n溝道IGBT需要用p型碳化硅材料作襯底，而p+碳化硅襯底能做到的最低電阻卻比MOSFET的電阻總值還高。因此，碳化硅IGBT研發(fā)工作的實質性進展，還有待于材料和工藝技術的進一步改善。,由于碳化硅在晶體生長過程中形成微管缺陷的問題至今尚未很好解決，制造大電流碳化硅分立器件所需要的大尺寸晶片還難以得到。因此，功率模塊成為人們?yōu)闈M足大電流應用的需要而關注的對象。,1.5.1 碳化硅材料和碳化硅電力電子器件,39,1.5.2砷化鎵器件,砷化鎵是繼硅之后最成熟的半導體材料，已經(jīng)制造出直徑超過75mm的高質量單晶。作為一種用于電子器件制造的初始材料，砷化鎵的典型價格比硅大約貴7倍。與硅相比，其器件制造所需的操作更復雜，所以比較昂貴。在砷化鎵中，所有的受主雜質都有很高的擴散系數(shù)，這使pn結在本質上就不穩(wěn)定，也使我們不能采用多次擴散的工藝，因此，砷化鎵器件通常是做成單極的，而不是雙極的。與相應的硅器件相比，盡管一些砷化鎵器件需要的芯片面積較小，但材料可能仍然較貴，因此要想使用這種材料獲得好處時，其性能的重要方面要明顯優(yōu)于可供比較的硅器件。,40,1.5.3金剛石電力電子器件,作為制造功率器件而言，金剛石最重要的特征就是高熱導率，這使熱量能有效的從產(chǎn)生功耗的區(qū)域傳導出來金剛石帶隙寬達5eV，所以允許它在650℃高溫環(huán)境下工作，其擊穿電場雖然只是碳化硅的2倍，但卻是硅的很多倍，更適用于高壓器件。對于電力電子器件的材料優(yōu)選而言，金剛石的幾乎所有優(yōu)選因子都是最高的，因此盡管其材料制備比較困難，但還是吸引了不少人去開發(fā)截止頻率極高的金剛石開關器件。由于金剛石的晶格常數(shù)較小，C-C結合的能量又很高，所以其有效摻雜是個很大的難點。雖然早在20世紀80年代就開始對金剛石器件研究了，但金剛石開關器件比較單一，主要是SBD和MOSFET。,41,1.6 電力電子集成技術,早期的思路是單片集成，即將主電路、驅動、保護和控制電路等全部制造在同一個硅片上。由于大功率的主電路元件和其它控制電路元件的制造工藝差別較大,還有高壓隔離和傳熱的問題,故電力電子領域單片集成難度很大,而在中大功率范圍內(nèi),只能采用混合集成的辦法,將多個不同工藝的器件裸片封裝在一個模塊內(nèi),現(xiàn)在廣泛使用的功率模塊和IPM模塊都體現(xiàn)了這種思想。,電力電子集成技術目標是通過高密度混合集成和多層互連,將電力電子系統(tǒng)中主電路、傳感、驅動、保護、控制、通信接口等全部電路和部分乃至全部無源器件都集成到一起,形成具有通用性的標準化電力電子集成模塊用以構成各種不同的應用系統(tǒng),42,1.6.1 集成技術的不同層次和形式,1 單片集成 所謂單片集成就是把一套電力電子電路中的功率器件、驅動、控制和保護電路集成在同一片硅片上，但是實際應用中的電力電子系統(tǒng)電路通常是強電和弱電的結合，當控制電路和功率電路功率等級相差過大時，在同一片硅片上是基本無法解決電路隔離，電磁兼容，電路保護，熱設計等一系列的問題，所以單片集成的思想僅體現(xiàn)在一些很小功率的電力電子系統(tǒng)上。,43,2 混合集成 混合集成主要指采用封裝的技術手段,將分別包含功率器件、驅動、保護和控制電路的多個硅片封入同一模塊中,形成具有部分或完整功能且相對獨立的單元。在某種意義上,混合集成在集成化程度上是根據(jù)當前技術水平所采取的一種折中方案,具有較強的現(xiàn)實意義,是電力電子集成技術應用的主流方式。,1.6.1 集成技術的不同層次和形式,44,3 系統(tǒng)集成 系統(tǒng)集成將已有的功能主體經(jīng)過有機地組合及拼裝,形成一個完整的系統(tǒng),應用在某特定領域。在電力電子技術領域,系統(tǒng)集成一般指將多個電路或裝置有機地組合成具有完整功能的電力電子系統(tǒng),小到手機的充電器，大到風力發(fā)電變流系統(tǒng)等，都是這種概念的體現(xiàn)。但是這種集成是功能集成,與工程技術領域普遍采用的集成方案并無實質性的區(qū)別,集成度低,與獨立的裝置和電路相比,無法明顯降低體積和重量,需要大量的設計工作,不能明顯體現(xiàn)集成優(yōu)勢。,1.6.1 集成技術的不同層次和形式,45,1.6.2 電力電子集成發(fā)展面臨的問題,1 電力電子系統(tǒng)模塊的標準化 這部分技術主要涉及適用于集成模塊內(nèi)的具有通用性標準化的主電路、控制電路、驅動電路、保護電路、電源電路及磁性元件技術。 為了實現(xiàn)這一目標，首先就是要確定標準模塊的電路結構，通常優(yōu)選的標準包括：損耗，效率，運行特性以及對不同電磁環(huán)境的適應性。在控制模塊方面，也需要設計一個高度集成化的控制系統(tǒng)，使其能夠完成對各種常規(guī)運行方式，包括PWM產(chǎn)生，信號反饋，A/D采樣等控制組件的集成。最后要在電路模塊和控制模塊之間建立一套適合的通訊總線和能量傳輸母線結構，從而能夠真正實現(xiàn)自由，可靠，靈活的電力電子集成技術。,46,2 電力電子集成模塊的封裝技術 集成模塊的封裝技術主要是為了使模塊具備更大的承載能力，更高的功率密度和更高效的散熱能力，另一方面，對封裝技術的研究是研究與之相關的各類問題的基礎與平臺。各種電路的優(yōu)化設計，電磁兼容，寄生參數(shù)的研究都要基于封裝模式進行研究。 現(xiàn)在廣泛使用的是鋁絲鍵合技術,優(yōu)點是工藝簡單,成本低;缺點是:①鍵合點面積小,傳熱差,芯片表面溫度分布不均勻,局部易熱集中;②寄生電感大,造成開關過電壓;③各鋁絲之間電流分布不均勻,局部電流集中;④電磁力造成鋁絲震動,導致鍵合點脫落等。因鋁絲鍵合存在諸多問題,所以現(xiàn)在的研究熱點是多芯片模塊技術(Multi Chip Module——MCM)。,1.6.2 電力電子集成發(fā)展面臨的問題,47,3 應用系統(tǒng)設計 這部分的研究主要基于標準化集成模塊的應用系統(tǒng)設計。內(nèi)容涉及根據(jù)應用選取適當?shù)哪K,解決多模塊構成的系統(tǒng)運行穩(wěn)定性問題及進行系統(tǒng)的優(yōu)化設計。因尚未形成模塊的標準化系列,這一領域的研究主要是試圖建立由模塊構成的示范系統(tǒng),以證明電力電子集成概念的可行性和有效性,1.6.2 電力電子集成發(fā)展面臨的問題,48,