功率半导体的技术与未来产业发展-第5页-北极星电力新闻网

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（三）晶闸管类器件

在半导体功率开关器件中，晶闸管是目前具有最高耐压容量与最大电流容量的器件，其最大电流额定值达到10kA，电压额定值可达12kV。ABB公司和株洲南车时代公司已分别在150mm直径的硅片上工业化生产8.5kV/4kA和7.2kV/4.5kA的晶闸管。

晶闸管改变了整流管“不可控”的整流特性，为方便地调节输出电压提供了条件。但其控制极（门极）仅有控制晶闸管导通的作用，不能使业已导通的晶闸管恢复阻断状态，只有借助将阳极电流减小至维持电流以下或阴、阳极间电压反向来关断晶闸管。在整流电路中，交流电源的负半周自然会关断晶闸管，但在直流电路中，要想关断晶闸管必须设置能给其施加反向电压的换向电路才行，这给应用带来很大麻烦。一种通过门极控制其导通和关断的晶闸管?门极关断晶闸管GTO在这种情况下应运而生并得到发展，目前已有包括日本三菱电机公司、瑞典ABB等多家厂商能在6英寸硅片上生产6kV/6kA，频率1kHz的GTO，研制水平已达8kV/8kA。但GTO仍然有着复杂的门极驱动电路、低耐量的di/dt和dV/dt，小的安全工作区（SafeOperatingArea—SOA），以及在工作时需要一个庞大的吸收（Snubber）电路等缺点。针对GTO的上述缺陷，在充分发挥GTO高压大电流下单芯片工作和低导通损耗特点的基础上，多种MOS栅控制且具有硬关断（HardSwitching）能力的新型大功率半导体器件在上世纪九十年代相继问世并陆续走向市场。所谓硬关断晶闸管即是在关断时能在一个很短的时间内（如1?s）完成全部阳极电流向门（栅）极的转移，此时的晶闸管关断变成了一个pnp晶体管关断模式，因而无需设置庞大、笨重且昂贵的吸收电路。硬关断晶闸管的代表性产品包括瑞典ABB公司研制的集成栅换流晶闸管IGCT、美国硅功率公司提出的MOS关断晶闸管MTO和由美国AlexHuang提出的发射极关断晶闸管ETO。在硬关断晶闸管中，IGCT应用较为广泛。IGCT是集成门极驱动电路和门极换流晶闸管（GCT）的总称，其中GCT部分是在GTO基础上做重大改进而形成，是一种较理想的兆瓦（MW）级中高压半导体开关器件。我国株洲南车时代公司也量产有4.5kV/4kA的IGCT。

（四）功率集成电路

PIC出现于七十年代后期，由于单芯片集成，PIC减少了系统中的元件数、互连数和焊点数，不仅提高了系统的可靠性、稳定性，而且减少了系统的功耗、体积、重量和成本。但由于当时的功率器件主要为双极型晶体管、GTO等，功率器件所需的驱动电流大，驱动和保护电路复杂，PIC的研究并未取得实质性进展。直至八十年代，由MOS栅控制、具有高输入阻抗、低驱动功耗、容易保护等特点的新型MOS类功率器件如功率MOS器件、IGBT等的出现，使得驱动电路简单且容易与功率器件集成，才迅速带动了PIC的发展，但复杂的系统设计和昂贵的工艺成本限制了PIC的应用。进入九十年代后，PIC的设计与工艺水平不断提高，性能价格比不断改进，PIC逐步进入了实用阶段。迄今已有系列PIC产品问世，包括功率MOS智能开关，电源管理电路、半桥或全桥逆变器、两相步进电机驱动器、三相无刷电机驱动器、直流电机单相斩波器、PWM专用PIC、线性集成稳压器、开关集成稳压器等。一些著名国际公司在功率集成技术领域处于领先地位，如德州仪器（TI）、意法半导体（ST）、仙童半导体（Fairchild）、国际整流器（IR）、安森美（On-Semi）、PowerIntegration（PI）等世界著名的半导体公司，它们已将功率集成电路产品系列化、标准化。

近几年随着移动通信、数字消费电子和计算机等产品制造业的强劲增长，以电压调整器为代表的电源管理集成电路得到迅速发展。有人认为功率集成电路重在高低压兼容的功率集成（PowerIntegration），而电源管理集成电路重在功率管理（PowerManagement），故应独立于功率集成电路之外。笔者认为功率集成电路即是进行功率处理的集成电路，电源管理集成电路应置于功率集成电路的范围之内。

SOI集成电路具有高速、高集成度、低功耗和抗辐照等优点，SOI技术已成为先进硅集成技术的主流技术之一。由于SOI具有易于隔离的特性，使其在功率半导体技术中也有着广泛的应用前景。日本东芝已利用SOI技术研制成功500V/1A的三相DC无刷马达驱动电路并实现量产，SOI高压集成电路已广泛用于等离子体显示平板（PDP）驱动电路和高性能IGBT大功率模块的栅驱动中。

BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）技术是指将Bipolar模拟电路、CMOS逻辑电路和DMOS基高压功率器件集成在同一块芯片上的工艺集成技术，BCD已成为功率集成电路的主流工艺技术。

BCD技术的众多特殊要求适应了不同的应用需要，产业发展的现状也证明不存在“通用”的BCD技术规范，按照工艺特点，BCD技术可以分为高压BCD、大功率BCD、高集成度BCD等。高压BCD主要用于PDP等要求高耐压（100V以上）但工作电流不大的领域，大功率BCD主要用于自动控制等要求大电流、中等电压（50V左右）的领域，高集成度BCD则主要用于需要与CMOS非易失性存储电路工艺兼容的领域。根据系统应用电压的不同，也可以将基于BCD工艺的功率集成电路分为三类：100V以下，100V-300V及300V以上。100V以下的产品种类最多，应用最广泛，包括DC-DC转换、LCD显示驱动、背光LED显示驱动、PoE、CAN和LIN等。100V-300V的产品主要是PDP显示驱动和电机驱动等。300V以上的产品主要是半桥/全桥驱动、AC/DC电源转换和高压照明LED驱动等。

BCD工艺正向高压、高功率、高密度方向发展，2003年意法半导体引入了采用0.18/0.15?m的体硅BCD8工艺；2006年日本Renesas公司报道了0.25?m的SOIBCD工艺；2009年东芝公司推出了60V0.13?m的体硅BCD工艺，可应用于高效DC－DC的电源管理和SoC的单片集成；1200V的BCD技术也已在Fairchild完成。

除硅基和SOI功率集成技术在不断发展外，GaN功率集成在近两年也受到国际关注。GaN智能功率技术将实现传统硅功率芯片技术所不能达到的工作安全性、工作速度及高温承受能力。2009年香港科技大学率先报道了单片集成功率晶体管和功率整流器的GaNBoost转换器，并在此基础上开发出GaN智能功率集成技术平台雏形。由于GaN电力电子器件可基于硅衬底进行研制，因此异质集成有可能成为GaN功率半导体的研究热点

在国内，在“02专项”的支持下，HHNEC、华润上华、上海宏力和杭州士兰微等单位开展了40V－600V高压BCD工艺技术研发，较好地支撑了国内功率IC的发展，但与FLASH等存储工艺兼容的高密度BCD工艺平台目前尚属空白。

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