功率半导体的应用及目前的局限

随着大功率半导体的发展和完善，已经使它在电子工程的各项领域得到广泛的应用。在日益增长的
对资源保护需求(例如能源节约问题)，在新生能源(如风力和光伏发电)和在洁净的化石燃料方面(如
在纯电动和混合动力汽车中所使用的)，这种发展表现出强劲增长的活力。
这种发展也明显改善了系统成本和使用范围，提高了能源生产和降低了能耗。“低材料消耗/低成本”
和“高效率”的部件对未来发展带来十分重要的意义。
目前市场上提供的可控的功率半导体产品最高电压和电流值。通过对功率半导体和半导
体器件并联和串联的连接，现在可以转换几乎所有的电能源的形式，通过这种方式不但使我们能把
电能转换成其他能源形式，而且可以从别的能源形式获得电能。
IGBT(绝缘栅双极晶体管)作为无源模块在从几千瓦的中功率到几兆瓦的大功率网络设备制造有很重
要的意义，特别是对“大众市场”。
从80年代中期开始，这些和其他一些有主动开关功能的大功率半导体器件，如大功率MOSFET(金
属氧化物半导体场效应晶体管)，GTO晶闸管(开关效应)和集成模块IGCT(集成晶闸管)，在实际应用
中已完全取代了传统的晶闸管。 而IGBT和MOSFET相对于其他大功率开关半导体，如传统的IGCT
和GTO晶闸管，显示出其一系列的优势，比如可应用于从主动的开关控制到被动的短路关闭的任何
情况，无须关闭整个网络，同时它还具有操作简单，开关时间短和相对较低的开关损耗。微电子技
术使生产这些大功率半导体器件变得相对更容易和成本更低廉。
1975年赛米控公司首先在市场推出了采用硅芯片制造的无源模块，现在这些模块被广泛地应用在电
流超过几十安培的网络中。这些模块通常包含了一定数量相同或不同的元器件(如IGBT，二极管，
晶体管和功率二极管)和配件(如温度或电流传感器)及开关控制和保护部件(智能功率半导体/ IPM)。
大功率无源模块在使用时需要表面冷却来解决散热问题，但它对比传统的插片模块有很多优势：传
统的插片模块比无源模块多产生大约30%的热损失，而且必须双面冷却。并且无源模块比传统的插
片模块更适合串联连接。除了安装便捷以外，无源模块的“集成化”也是一大优势，根据不同要求可
随意把不同的元器件组合到一个模块集成中并在模块表面贴上经过绝缘检验的散热片。这样在大批
量的生产时可降低生产成本。
现在大功率MOSFET被广泛的应用到供电系统(开关部件)、汽车电器的低压开关设备和在非常高开
关频率(50到500千赫)的实际应用中，因为在这种高频率的场合，标准的电源模块无法使用。
下面的章节将详细介绍功率二极管、晶闸管、大功率MOSFET和IGBT的结构、功能、特性和应用
以及发展趋势。作为章节的结束我们把大功率半导体发展总体目标和方向做如下简单归纳:
半导体发展总体目标:
--提高功率(电流，电压)
--降低半导体控制和开关时损耗
--扩展工作温度的范围
--提高使用寿命，稳定性和可靠性
--在降低失误率的同时简化控制和保护电路
--降低成本
发展的方向大致可分为:
半导体材料
--新型的半导体材料 (如宽带材料)
芯片技术
--提高芯片可靠工作的温度和电流密度(减少面积)
--更精细结构(减少面积)
--新型的结构(性能改进)
--芯片上集成性能(例如，栅极电阻，温度测量，单片系统集成)
--根据功能组合新的单片器件（RC - IGBT，ESBT)
--提高芯片在气候影响下的性能稳定性
组合装配和连接技术 (AVT)
--提高抗温度和负载变化的可靠性
--改善散热效果(绝缘基板，基板，散热器)
--通过改善外壳和灌注材料和配方来提高抗气候变化的适应性
--优化内部连接和外部配件布线
--优化外形使安装更简便
--降低成型成本，提高环保意识，提高回收再利用的可能性
集成化程度
--提高功率模块的集成规模以降低系统成本
--提高控制、监测和保护功能的集成
--提高整个系统的集成