功率分立器件及其应用介绍

功率分立器件及其应用介绍

1. 简介

微电子工业兴起于20世纪50年代，至今已经经历了半个多世纪的快速发展，深刻改变了社会的面貌。功率器件随着微电子工业的兴起和发展至今，已经产生了大量的器件种类，应用于各个行业和领域。功率器件包括功率IC和功率分立器件功率IC主要包括一些转换器和驱动器，如AC-DC、DC-DC等；功率分立器件则主要包括功率MOSFET、功率BJT、功率Diode和IGBT 等半导体器件。功率器件几乎用于所有的电子制造业，所应用的产品包括计算机领域的笔记本、PC、服务器、显示器以及各种外设；网络通信领域的手机、电话以及其它各种终端和局端设备；消费电子领域的传统黑白家电和各种数码产品；工业控制类中的工业PC、各类仪器仪表和各类控制设备等。除了保证这些设备的正常运行以外，功率器件还能起到有效的节能作用。由于电子产品的需求以及能效要求的不断提高，全球尤其是中国功率器件市场一直保持较快的发展速度。本文主要介绍功率分立器件的一般特性参数、功率MOSFET、功率BJT和IGBT等功率分立器件的原理及其应用领域，并阐述功率分立器件在节能环保等方面的重要意义。

2. 功率分立器件的一般特性参数

2.1 耐压、功耗的关系

耐压特性是功率分立器件的主要特性之一，或者说是最重要的特性。因为只有达到一定的耐压值，才能在电路中实现特定的功能；否则如果耐压值的裕量不足，则会引起电路失效。一般而言，对功率分立器件的期望是耐压较高、功耗较低。但是对于功率分立器件而言，耐压和功耗却是一对矛盾，即若要实现高耐压，则会引入较高的电阻，因此功耗较大；反之若要降低功耗，也会危及器件的耐压值。

2.2 动态参数

功率分立器件的另一个重要特性就是其动态特性。器件的动态参数主要是寄生电阻和寄生电容，在动态应用中，会引起充、放电过程，因此给电路带来一些限制，甚至有的电路中会将精确把握此动态过程作为电路设计的重点。此外，动态的充、放电过程会引入额外的功耗，即动态功耗。

2.3 温度特性

半导体材料具有一些固有的温度特性，即某些参数是随着温度的变化而变化，如迁移率、电阻率、载流子产生与复合几率等。这些温度特性反应在微电子器件中，则表现为诸如

击穿电压、导通电阻、阈值电压等参数随温度变化而变化。有的参数随着温度的升高而升高，即具有正温度系数；有的参数随着温度的升高而降低，即具有负温度系数。确定功率分立器件的温度特性，是由于功率分立器件在工作过程中会产生大量的热从而使得其本身温度升高，因此其参数也会随之变化，较之常温下会有偏差。正确把握其温度特性对于确保电路的精确性至关重要。

2.4 可靠性与抗雪崩能力

可靠性是评估产品使用寿命或者“强壮度”的指标。一般功率分立器件在出厂前都会进行一些功能测试，通过测试的产品即达到预期的功能，作为合格产品出厂。而在产品研发阶段就要考虑其可靠性，采取特定的设计和制造工艺。功率分立器件的可靠性指标除了包含微电子器件可靠性评估的常规项目外，通常具有一项反应抗雪崩能力的指标。因为功率分立器件工作在高压大功率条件下，一旦电路中出现故障，使得器件击穿，所产生的大电流会产生大量的热，使得器件发生热烧坏。由于功率分立器件的击穿类型一般为雪崩击穿，因此衡量其耐击穿特性的“强壮”性指标通常称为抗雪崩能力。

3. 功率MOSFET

功率MOSFET的原理与一般MOSFET并无差异，只是为了实现高耐压，采取了特殊的器件结构和制造工艺。功率MOSFET按照工作电压来看，可分为低压、中压、高压。一般低压MOSFET工作电压从十几伏到几十伏，中压MOSFET工作电压在几百伏，高压MOSFET接近1000伏。功率MOSFET的耐压或者说性能的发展是伴随器件结构的演进而进行的，主要有VDMOS、Trench MOS或者UMOS、CoolMO

由于器件结构的特点，一般VDMOS比Trench MOS占用更大的面积，但是其制造工艺较为简单，因此成本较低。CoolMOS是最近兴起的功率MOSFET器件，其工作电压比VDMOS和Trench MOS要高，性能更好。核心技术掌握在国外厂商手中。下图是VDMOS和Trench MOS 的结构示意图。

图(a)VDMOS结构示意图(b)Trench MOS结构示意图

功率MOSFET优点是功耗低、制造工艺相对简单、输入阻抗高。缺点是速度不如BJT速度快，难以应用于超高频领域。功率MOSFET 的应用十分广泛，其中20V 产品主要用于手机、数码相机，30V 产品主要用于计算机主板、显卡，40V 产品主要用于机顶盒和电动自行车，60V 产品主要用于UPS、汽车雨刷、汽车音响、马达控制，80V 以上产品主要用于LCD TV、LCD 显示器和其他仪器仪表等，而150V-400V 的产品主要用于照明、CRT 电视、CRT 显示器、背投电视、电热水器和洗衣机等，400V-800V 产品主要用于发动机启动器、车灯控制、电机控制，嵌入式电源和电源适配器等，800V-1000V 的产品主要用于风力发电、

电焊机和中低压变频器等、1000V 以上产品主要用于高压变频器、发电和变电设备等。由于手机、数码相机、计算机主板、显卡、LCD 显示器等产品产量庞大，导致电压在20V-100V 之间的MOSFET 用量最大。

4. 功率BJT

功率BJT（也叫功率三极管）是最早使用的功率分立器件，曾经是最主要的功率分立器件。功率BJT的优点是常开器件，因此其速度快，有利于实现超高频电路。但是正是由于其在工作过程中的常开特性，使得其功耗较大。并且，高压功率BJT制造工艺困难，难以实现超高压，这在某些方面限制了其发展。而且功率BJT的芯片面积较大，这更加推高了其成本。下图是功率BJT的结构示意图。

图功率BJT结构示意图

功率BJT最初应用于工业和民用等各个领域。随着功率MOSFET的发展，在很多领域功率BJT已经被功率MOSFET所取代。目前功率BJT主要应用于节能灯、充电器等使用数量较多的领域，以及中小型变频器、汽车电子等领域。在一些对工作频率要求较高的应用上，功率BJT仍是重要的选择。

5. IGBT

功率MOSFET和功率BJT都具有各自的优点和缺点，在很多领域会有所局限。IGBT是最新发展的功率器件，从结构和工作原理上来说，它是MOSFET和和BJT的组合体，既具有MOSFET低功耗的优点，又具有BJT高速的优点；并且，IGBT能实现1000V以上的高耐压。这些优点使得IGBT自发明以来得到快速发展。IGBT在结构上主要分为对称结构和非对称结构，如下图所示。

(a) 对称结构的IGBT

(b) 非对称结构的IGBT

IGBT具有MOSFET和BJT的优点，但是其制造工艺复杂，对某些工艺的要求极高，目前核心技术掌握在国外厂商手中。

从目前的市场情况来看，电压在600V-1200V 之间的IGBT 用量最大，目前在电磁炉、电源、变频家电等产品中使用的IGBT 耐压一般都是600V和1200V。低于600V 的IGBT 产