常見的功率半導體器件有哪些？

功率半導體是電子裝置中電能轉換與電路控制的核心，主要用于改變電子裝置中電壓和頻率、直流交流轉換等。按照分類來看，功率半導體可以分為功率IC和功率分立器件兩大類，其中功率分立器件主要包括二極管、晶閘管、晶體管等產品。

近年來，功率半導體的應用領域已從工業控制和消費電子拓展至新能源、軌道交通、智能電網、變頻家電等諸多市場，市場規模呈現穩健增長態勢。目前國內功率半導體產業鏈正在日趨完善，技術也正在取得突破。同時，中國也是全球的功率半導體消費國，2019年市場需求規模達到約144億美元，增速約為4％，占全球需求比例高達35％。本文將重點針對常見的幾種功率半導體進行介紹。

1、MCT：MOS控制晶閘管

MCT是一種新型MOS與雙極復合型器件。如圖所示。MCT是將MOSFET的高阻抗、低驅動圖MCT的功率、快開關速度的特性與晶閘管的高壓、大電流特型結合在一起，形成大功率、高壓、快速全控型器件。實質上MCT是一個MOS門極控制的晶閘管。它可在門極上加一窄脈沖使其導通或關斷，它由無數單胞并聯而成。

2、IGCT

IGCT是在晶閘管技術的基礎上結合IGBT和GTO等技術開發的新型器件，適用于高壓大容量變頻系統中，是一種用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導體器件。

IGCT是將GTO芯片與反并聯二極管和門極驅動電路集成在一起，再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接，結合了晶體管的穩定關斷能力和晶閘管低通態損耗的優點。在導通階段發揮晶閘管的性能，關斷階段呈現晶體管的特性。IGCT芯片在不串不并的情況下，二電平逆變器功率0．5～3MW，三電平逆變器1～6MW；若反向二極管分離，不與IGCT集成在一起，二電平逆變器功率可擴至4／5MW，三電平擴至9MW。

目前，IGCT已經商品化，ABB公司制造的IGCT產品的性能參數為4［1］5kV／4kA，研制水平為6kV／4kA。1998年，日本三菱公司也開發了直徑為88mm的GCT的晶閘管IGCT損耗低、開關快速等優點保證了它能可靠、高效率地用于300kW～10MW變流器，而不需要串聯和并聯。

3、IEGT：電子注入增強柵晶體管

IEGT是耐壓達4kV以上的IGBT系列電力電子器件，通過采取增強注入的結構實現了低通態電壓，使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發展。IEGT具有作為MOS系列電力電子器件的潛在發展前景，具有低損耗、高速動作、高耐壓、有源柵驅動智能化等特點，以及采用溝槽結構和多芯片并聯而自均流的特性，使其在進一步擴大電流容量方面頗具潛力。另外，通過模塊封裝方式還可提供眾多派生產品，在大、中容量變換器應用中被寄予厚望。日本東芝開發的IECT利用了電子注入增強效應，使之兼有IGBT和GTO兩者的優點：低飽和壓降，安全工作區（吸收回路容量僅為GTO的十分之一左右），低柵極驅動功率（比GTO低兩個數量級）和較高的工作頻率。器件采用平板壓接式電機引出結構，可靠性高，性能已經達到4．5kV／1500A的水平。

4、IPEM：集成電力電子模塊

IPEM是將電力電子裝置的諸多器件集成在一起的模塊。它首先是將半導體器件MOSFET，IGBT或MCT與二極管的芯片封裝在一起組成一個積木單元，然后將這些積木單元迭裝到開孔的高電導率的絕緣陶瓷襯底上，在它的下面依次是銅基板、氧化鈹瓷片和散熱片。在積木單元的上部，則通過表面貼裝將控制電路、門極驅動、電流和溫度傳感器以及保護電路集成在一個薄絕緣層上。IPEM實現了電力電子技術的智能化和模塊化，大大降低了電路接線電感、系統噪聲和寄生振蕩，提高了系統效率及可靠性。

功率半導體器件優缺點分析

電力二極管：結構和原理簡單，工作可靠

晶閘管：承受電壓和電流容量在所有器件中最高

IGBT：開關速度高，開關損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅動，驅動功率小；

缺點：開關速度低于電力MOSFET，電壓，電流容量不及GTO

GTR：耐壓高，電流大，開關特性好，通流能力強，飽和壓降低；

缺點：開關速度低，為電流驅動，所需驅動功率大，驅動電路復雜，存在二次擊穿問題

GTO：電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導調制效應，其通流能力很強；

缺點：電流關斷增益很小，關斷時門極負脈沖電流大，開關速度低，驅動功率大，驅動電路復雜，開關頻率低

MOSFET：開關速度快，輸入阻抗高，熱穩定性好，所需驅動功率小且驅動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題；

缺點：電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。

制約因素：耐壓，電流容量，開關的速度。

隨著下游電氣化程度不斷增加，功率半導體需求提升，器件應用范圍不斷拓展。但是全球功率半導體市場仍由歐美日企業主導，其中英飛凌以 19%的市占率占據絕對領先地位。全球功率半導體前十名供應商全是海外企業，市場份額高達 60%以上，我國功率半導體國產替代進程目前仍然處于初步階段。

圖：全球功率器件需求按區域分布占比

來源：IDC，東興證券研究所

圖：全球功率半導體市場格局

來源：IHS Markit，東興證券研究所

國內廠家有望在功率半導體領域實現逐步替代。

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【技術分享】工程師如何選型MOSFET；

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