现代功率模块及器件应用技术

电源招聘专家现代功率模块及器件应用技术引言最近20年来，功率器件及其封装技术的迅猛发展，导致了电力电子技术领域的巨大变化。

当今的市场要求电力电子装置要具有宽广的应用范围、量体裁衣的解决方案、集成化、智能化、更小的体积和重量、效率更高的芯片、更加优质价廉、更长的寿命和更短的产品开发周期。

在过去的数年中已有众多的研发成果不断提供新的、经济安全的解决方案，从而将功率模块大量地引入到一系列的工业和消费领域中。

因此，有必要就功率模块的应用技术，如选型、驱动、保护、冷却、并联和串联以及软开关电路等，进行一次全面的系列介绍。

1 IGBT和MOSFET功率模块1.1 应用范围如图1所示，当前众多的电力电子电路可由功率MOSFET或IGBT来实现。

从上世纪80年代开始，它们先后出现于市场。

与传统的晶闸管相比，它们具有一系列的优点，如可关断的特性（包括在短路状态下）、不需要缓冲网络、控制单元简单、开关时间短、开关损耗低等。

现在，电力电子技术不断地渗透到新的应用领域中，这首先归功于IGBT和功率MOSFET的迅速发展。

同时，它们的应用在其现有的领域电源招聘专家内也在不断地深化。

数年前，高耐压双极型功率晶体管还被广泛地应用着。

而现在只能在少数例外情况下发现它的踪影，其位置已几乎完全被IGBT所取代。

在电流达数十A或以上的应用中，功率MOSFET及IGBT大多为含有硅芯片的绝缘式功率模块。

这些模块含有一个或数个晶体管单元，以及和晶体管相匹配的二极管（续流二极管），某些情况下还含有无源元件和智能部分。

虽然功率模块存在仅能单面冷却的缺点，但它还是被广泛地应用于大功率电力电子技术中，与同期问世的平板式IGBT/二极管器件一争高低。

尽管平板式器件在双面冷却的条件下可以多散发约30％的热损耗，但功率模块仍然受到用户广泛的欢迎。

其原因除了安装简易外，还在于模块的芯片和散热器之间的绝缘、其内部多个不同元器件的可组合性、以及由于大批量生产而导致的低成本。

在当今的市场上，尽管各种有竞争性的功率器件都在不断地发展，但是IGBT模块却稳稳胜出，它的功率范围也在不断延伸。

目前生产的IGBT模块已具有了6 5kV、4.6kV、3.3kV和2.5kV的正向阻断电压。

以此为基础，MW级的、电压至6kV的变流器（采用IGBT串联的电路）已经出现。

另一方面，MOSFET则被应用于越来越高的频率范围。

今天，使用合适的电路拓扑与封装技术，已经可以在500kHz以上实现较大的电流。

IGBT和MOSFET模块已经成为集成电子系统的基本器件，同时也正在成为集成机电系统的基本器件。

1.2 结构和基本功能下面所述的功率MOSFET和IGBT均指n沟道增强型，因为，它代表了构成功率模块的晶体管的主流。

电源招聘专家在一个正向的驱动电压作用下，一块p导通型的硅材料会形成一个导电的沟道。

这时，导电电源招聘专家的载流子为电子（多子）。

在驱动电压消失后，该器件处于截止状态（自截止）。

在大多数情况下，人们采用图2和图4所示的垂直式结构。

在这里，栅极和源极（MOSFET）或发射极（IGBT）均位于芯片上表面，而芯片底面则构成了漏极（MOSFET）或集电极（IGBT）。

负载电流在沟道之外垂直通过芯片。

在图2所示的功率MOSFET和图4所示的IGBT具有平面式栅极结构，也就是说，在导通状态下，导电沟道是横向的（水平的）。

平面栅极（在现代高密度晶体管中更发展为双重扩散栅极）仍是目前功率MOSFET和IGBT中占统治地位的栅极结构。

平面式MOSFET和IGBT结构是从微电子技术移植而来的，其漏极或集电极由n＋（MOSFET）或p＋（IGBT）井区构成，位于芯片表面。

负载电流水平地流经芯片。

借助于一个氧化层，n区可以与衬底相互隔离，从而有可能将多个相互绝缘的MOSFET或IGBT与其他结构一起集成于一个芯片之上。

由于平面式晶体管的电流密度仅能达到垂直式结构的30％，因而明显地需要更多的安装面积，所以，它们主要被用在复杂的单芯片电路中。

从构造上来看，功率MOSFET（图2）以及IGBT（图4）由众多的硅微单元组成。

每cm2芯片上的单元数可达8.2%26;#215;105（最新的耐压为60V的MOSFET）以及1%26;#215;105（高耐压IGBT）。

图2、图4显示了MOSFET和IGBT具有相似的控制区结构。

n－区在截止状态下构成空间电荷区。

p导通井区被植入其内，它在边缘地带的掺杂浓度较低（p－），而在中心地带则较高（p＋）。

在这些井区里存在着层状的n＋型硅，它们与源极端（MOSFET）或发射极端（IGBT）的金属铝表面相连。

在这些n＋区之上，先是植入一层薄的SiO2绝缘层，然电源招聘专家后再形成控制区（栅极），例如采用n＋型多晶硅材料。

当一个足够高的正向驱动电压被加在栅极和源极（MOSFET）或发射极（IGBT）之间时，在栅极下面的p区将会形成一个反型层的（n导通沟道）。

经由这个通道，电子可以从源极或发射极流向n－漂移区。

直至n－区为止，MOSFET和IGBT具有类似的结构。

它们出现在第三极区，从而决定了各自不同的性能。

1.2.1 Power MOSFET 图2清楚地显示了一个n沟道增强型垂直式结构的功率MOSFET的结构和功能。

图2中的栅极结构为平面式。

在MOSFET中，上述的层状结构是在一块n＋导通型电源招聘专家的硅基片上采用外延生长、植入、扩散等方法来实现的。

硅基片的背面形成了漏极。

当电压在漏极和源极之间产生一个电场时，流向漂移区的电子会被吸引至漏极，空间电荷会因此而缩小。

同时，漏源电压下降，主电流（漏极电流）得以流动。

因为，在漂移区内形成电流的电子全部是多子，所以，在高阻的n－区内不会出现两种载流子的泛滥。

因此，MOSFET 是一个单极型器件。

在低耐压的MOSFET器件中，微单元的电阻约占MOSFET的通态电阻的5％～30％。

而对于高截止电压的MOSFET来说，其通态电阻的约95％由n－外延区的电阻所决定。

因此，通态压降VDS(on)=IDRDS(on) （1）式中：ID为漏极电流；RDS(on)为通态电阻。

RDS(on)=kV(BR)DS （2）式中：k为材料常数，当芯片面积为1cm2时，k=8.3%26;#215;10－9A－1；V（BR）DS为漏源正向击穿电压。

图6 对于现在市场上的MOSFET 来说，当它的截止电压大于200～400V时，其通态压降的理论极限值总是大于同等大小的双极型器件，而其电流承载能力则小于后者。

另一方面，仅仅由多子承担的电荷运输没有任何存储效应，因此，很容易实现极短的开关时间。

当然，在芯片尺寸很大的器件中（高耐压/大电流），其内部电容充放电所需的驱动电流会相当大，因为，每cm2的芯片面积上的电容约0.3μF。

这些由MOSFET的物理结构所决定的电容是其最重要的寄生参数。

图3表示了它们的起源和等效电路图。

表1解释了图3中各种寄生电容和电阻的起源和符号。

表1 MOSFET 的寄生电容及电阻符号名称起源CGS 栅－源电容栅极和源极的金属化部分的重叠，取决于栅源电压，但与漏源电压无关。

CDS 漏－源电容n－漂移区和p井区之间的结电容，取决于单元面积、击穿电压以及漏源电压。

GGD 栅－漏电容米勒电容，由栅极和n－漂移区之间的重叠而产生。

RG 栅极内阻多晶硅栅极的电阻，在多芯片并联的模块中，常常还有附加的串联电阻以削弱芯片之间的振荡。

RD 漏极电阻n－漂移区的电阻，占MOSFET通态电阻的主要部分。

RW p井区横向电阻寄生npn双极型晶体管的基极－发射极之间的电阻。

1.2.2 IGBT 图4清楚地显示了一个n沟道增强型垂直式IGBT的结构和功能。

图中的IGBT具有非穿通式NPT（Non Punch Through）结构，栅极为平面式。

和MOSFET有所不同，在IGBT的n区之下有一个p＋导通区，它通向集电极。

流经n－漂移区的电子在进入p＋区时，会导致正电荷载流子（空穴）由p＋区注入n－区。

这些被注入的空穴既从漂移区流向发射极端的p区，也经由MOS沟道及n井区横向流入发射极。

因此，在n－漂移区内，构成主电流（集电极电流）的载流子出现了过盈现象。

这一载流子的增强效应导致了空间电荷区的缩小以及集电极－发射极电压的降低。

尽管同MOSFET的纯电阻导通特性相比，IGBT还需加上集电极端pn结的开启电压，但对于高截止电压的IGBT器件来说（从大约400V起），因为，高阻的n－区出现了少子增强效应，所以，器件的导通压降仍比MOSFET 要低。

这样，在相同的芯片面积上，IGBT可以设计的电流比MOSFET更大。

另一方面，在关断期间和随后产生的集电极电压的上升过程中，还来不及被释放的大部分p存储电荷Qs 必须在n－区内被再复合。

Qs在负载电流较小时几乎呈线性增长，而在额定电流以及过电流区域则由以下指数关系所决定：存储电荷的增强与耗散引发了开关损耗、延迟时间（存储时间）、以及在关断时还会引发集电极拖电源招聘专家尾电流。

目前，除了图4所显示的非穿通结构之外，穿通型结构（PT=Punch Through）的IGBT 也得到了应用。

最初的IGBT就是基于后者而形成的。

两种结构的基本区别在于，在PT型IGBT的n－和p＋区之间存在一个高扩散浓度的n＋层（缓冲层）。

另外，两者的制造工艺也不同。

在PT型IGBT中，n＋和n－层一般是在一块p型基片上外延生长而成。

而NPT型IGBT 的基本材料是一块弱扩散的n型薄硅片，在其背面植入了集电极端的p＋区。

两种IGBT的顶部结构相同，均为平面式的MOS控制区。

图5比较了两种IGBT的构造及其正向截止状态下的电场强度分布。

对于一个PT型IGBT或者IGET（E：外延生长式结构Epitaxial structure）来说，在正向截止状态下，空间电荷区覆盖了整个n－区。

为了使生长层即使在高截止电压下还是尽可能的薄，在n－漂移区的结尾处，其电场强度需要用高扩散浓度的n＋缓冲层来减弱。

反之，对于NPT型IGBT或IGHT（H：同质式结构Homogenous structure）来说，它的n－漂移区具有足够的厚度，以至于可以吸收在正向截止状态下最大截止电压的场强。

因此，在允许的工作范围内，电场延伸至整个n－区之外的现象（穿通）是不会发生的。

为了进一步描述IGBT的功能以及PT和NPT型器件的不同特性，有必要来观察由IGBT结构而导出的等效电路〔图6（b）〕。

类似于图3，可得到图6中所示的寄生电容和电阻的起源与符号，如表2所列。

表2 IGBT的寄生电容及电阻符号名称起源CGE 栅极－发射极电容栅极和发射极的金属化部分的重叠，取决于栅极－发射极电压，但与集电极－发射极电压无关。

CCE 集电极－发射极电容n－漂移区和p井区之间的结电容，取决于单元的表面积、漏源击穿电压以及漏源电压。