功率半導體模塊的發展趨勢

電力電子器件（Power Electronic Device），又稱為功率半導體器件，用于電能變換和電能控制電路中的大功率（通常指電流為數十至數千安，電壓為數百伏以上）電子器件?？梢苑譃榘肟匦推骷?、全控型器件和不可控型器件，其中晶閘管為半控型器件，承受電壓和電流容量在所有器件中最高；電力二極管為不可控器件，結構和原理簡單，工作可靠；還可以分為電壓驅動型器件和電流驅動型器件，其中GTO、GTR為電流驅動型器件，IGBT、電力MOSFET為電壓驅動型器件。

功率半導體模塊的概述

功率半導體器件以功率金屬氧化物半導體場效應晶體管（功率MOSFET，常簡寫為功率MOS）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）以及功率集成電路（power IC，常簡寫為PIC）為主。這些器件或集成電路能在很高的頻率下工作，而電路在高頻工作時能更節能、節材，能大幅減少設備體積和重量。尤其是集成度很高的單片片上功率系統（power system on a chip，簡寫PSOC），它能把傳感器件與電路、信號處理電路、接口電路、功率器件和電路等集成在一個硅芯片上，使其具有按照負載要求精密調節輸出和按照過熱、過壓、過流等情況自我進行保護的智能功能。國際專家把它的發展喻為第二次電子學革命。

功率半導體模塊的發展趨勢

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具有較低的結勢壘高度。因此，SBD具有低正向電壓的優勢。SiC SBD的出現將SBD的應用范圍從250 V提高到了1200 V。同時，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以上的整流器應用領域，SiC PiN和SiC JBS二極管由于比Si整流器具有更高的擊穿電壓、更快的開關速度以及更小的體積和更輕的重量而備受關注。

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、高速的開關性能、低導通電阻和高穩定性。在300V以下的功率器件領域，是首選的器件。有文獻報道已成功研制出阻斷電壓10 kV的SiC MOSFET。研究人員認為，碳化硅MOSFET器件在3kV～5 kV領域將占據優勢地位。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器件的研發還是取得了顯著進展。

另外，有報道介紹，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倍的開關損耗以及更低的導通壓降。SiC BJT主要分為外延發射極和離子注入發射極BJT，典型的電流增益在10-50之間。

關于碳化硅晶閘管，有報道介紹了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），開啟和關斷時間在幾十到幾百納秒。

半導體模塊之間的差異，不僅僅體現在連接技術方面。另一個差別因素是附加有源和無源器件的集成度。根據集成度不同，可分為以下幾類：標準模塊，智能功率模塊（IPM），（集成）子系統。在IPM被廣泛使用（尤其在亞洲地區）的同時，集成子系統的使用只剛剛起步。

1、智能功率模塊（IPMs）

智能功率模塊的特點在于除了功率半導體器件外，還有驅動電路。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和監測功能，如過電流和短路保護，驅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的信號輸入進行電氣隔離。只有極少數的IPM包含了一個集成光耦。另一種隔離方案是采用變壓器 進行隔離。

通常，小規模的IPM的特點在于其引線框架技術。穿孔銅板用作功率開關和驅動IC的載體。通過一層薄薄的塑料或絕緣金屬板進行散熱。

用于中高功率應用的IPM模塊的設計特點是將模塊分為兩個層次。功率半導體在底部，驅動器和保護電路在上部。本領域內名氣最大的IPM是賽米控的SKiiP？，已面市超過了10年。這種無底板IPM系列產品的最大額定電流是2400A，包括一個驅動器和保護功能，加上電流傳感器、電氣隔離和電源。這些模塊裝在風冷或水冷冷卻器上，并在供貨前進行全面的測試。

一個有趣的趨勢是將標準模塊升級為IPM?？芍苯踊蚴褂脦寗与娐罚ㄍㄟ^彈簧連接）的適配器板來進行升級。賽米控的SKYPERTM驅動器是這方面理想的產品。

2、集成子系統

所有這些IPM的共同點是真實的“智能”，即將設定點值轉換成驅動脈沖序列的控制器不包含在模塊中。賽米控是250kW以下轉換器用集成子系統的核心制造商。SKAITM模塊也是IPM，其特點是集成了DSP控制器，除脈寬調制外，還可進行其它通信任務。這些子系統也包含集成直流環節電容器，一個輔助電源，精密電流傳感器和一個液體冷卻器。