“一高一低”開發(fā)電力半導(dǎo)體器件

文｜項衛(wèi)光

電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)與發(fā)展，雖然使整流器、逆變器、斬波器等各類裝置的整體性能得到了顯著提升，但由于電力半導(dǎo)體器件的應(yīng)用范圍十分廣泛，而當(dāng)前各應(yīng)用領(lǐng)域又處于高速發(fā)展之中，對電力半導(dǎo)體器件的應(yīng)用要求已經(jīng)變得越來越高，因此要想滿足工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各方面的應(yīng)用需求，就必須要對電力半導(dǎo)體器件進行持續(xù)開發(fā)與更新?lián)Q代。

電力半導(dǎo)體器件三大主流

晶閘管作為最早出現(xiàn)的電力半導(dǎo)體器件，可通過微小功率對大功率的電流進行控制、轉(zhuǎn)換，具有體積小、重量輕、耐壓高等特點，在家用電器、工業(yè)制造、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域都實現(xiàn)了較為廣泛的應(yīng)用。近些年，由于硅基GTO晶閘管經(jīng)常需要在兆瓦級功率應(yīng)用領(lǐng)域進行串并聯(lián)應(yīng)用，相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的功率密度比較高，很容易導(dǎo)致能量損耗過高、工作溫度不高等問題，因此有關(guān)企業(yè)開始使用寬禁帶SiC材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Si材料，進行新型晶閘管生產(chǎn)。目前已經(jīng)有不少SiC器件被研制出來，并在電流處理能力、快速關(guān)斷、導(dǎo)通電阻、功耗、工作溫度等方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能。

整流管類電力半導(dǎo)體器件通常可分為普通整流管、快速恢復(fù)二極管、肖特基二極管等幾種類型。目前，快速恢復(fù)二極管發(fā)展速度最快，發(fā)展前景也較良好。因為應(yīng)用快速恢復(fù)二極管，主要是為了縮短主開關(guān)器件電容的充電時間，同時對負載電流瞬時反向時產(chǎn)生的高電壓進行抑制，因此其反向恢復(fù)時間、反向恢復(fù)電流、軟恢復(fù)特性等性能都顯得尤為重要。據(jù)有關(guān)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)顯示，近些年國內(nèi)性能最佳的快速恢復(fù)二級管，反向恢復(fù)峰值電壓性能可達4500V，反向恢復(fù)時間可達5μs，雖然與國際頂級水平仍存在一定差距，但未來可期。

功率晶體管作為主要用于移動通信系統(tǒng)基站功率放大器及手機功率放大器的新型射頻功率器件，雖然發(fā)展時間相對較短，但卻具有著寄生電容較小、易集成、工作性能高等特點，能夠在集成電路中發(fā)揮出很大作用，而這一領(lǐng)域的電力半導(dǎo)體器件研發(fā)工作也較受重視。以目前發(fā)展最為迅速的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）為例，該類晶體管綜合了GTR器件與MOSFET器件的特點，在飽和壓、載流密度、驅(qū)動功率、開關(guān)速度等方面都有著較為突出的性能優(yōu)勢，在600V以上直流電壓的變流系統(tǒng)中，能夠取得理想應(yīng)用效果，近幾年已經(jīng)能夠制造出集成化的IGBT專用驅(qū)動電路，在整機可靠性等性能上實現(xiàn)了進一步提升。

電力半導(dǎo)體器件兩大發(fā)展趨勢

低成本。在電力半導(dǎo)體材料不斷更新的過程中，很多新型半導(dǎo)體材料由于成本較高，并未能夠有效推廣開來。但相對的，面對更為突出的禁帶寬度、更擊穿電場、熱導(dǎo)率、電子飽和速率等性能，有關(guān)第三代半導(dǎo)體材料的相關(guān)研究一直都未停止，近些年反而越來越多地受到關(guān)注。隨著第三代半導(dǎo)體材料有關(guān)研究的不斷深入，其應(yīng)用成本問題將會逐漸得到解決，電力半導(dǎo)體器件會向著低成本的方向不斷發(fā)展。

高性能。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，電力半導(dǎo)體器件已經(jīng)形成多個類別，同時性能也實現(xiàn)了飛躍式提升。但由于電力電子技術(shù)的整體發(fā)展速度同樣較快，如斬波器、逆變器等裝置對電力半導(dǎo)體器件所提出的性能要求越來越高，因此未來電力半導(dǎo)體器件的性能必須繼續(xù)提升，并呈現(xiàn)出高性能的長期發(fā)展趨勢。例如在VDMOS、IGBT等新型半導(dǎo)體器件頻率性能不斷提高的情況下，快速恢復(fù)二極就必然會向著縮短反向恢復(fù)時間、降低反向恢復(fù)電流的方向發(fā)展。

總之，電力半導(dǎo)體器件雖然在上世紀中后期才發(fā)展起來，但卻在短短數(shù)十年間實現(xiàn)了高速發(fā)展。但是未來電力半導(dǎo)體器件想要得到更好的發(fā)展與應(yīng)用，則需要在熟悉晶閘管、整流管、功率晶體管等各類電力半導(dǎo)體器件發(fā)展現(xiàn)狀的同時，準確把握其低成本、高性能的發(fā)展趨勢。