现代功率模块及器件应用技术

现代功率模块及器件应用技术(1)-IGBT和MOSFET功率模块

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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。

图1 功率半导体的应用范围

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65kV、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。

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8.2×105（最新的耐压为60V的MOSFET）以及1×105（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。

(a)MOSFET单元及其导通时的电荷流动方向(b)通用电气符号

图2 功率MOSFET（西门子公司的SIPMOS）

在MOSFET中，上述的层状结构是在一块n＋导通型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。