功率模块IGBT和MOSFET的驱动设计及模组测试（2）

2023-08-14 13:00 作者:电子星球-官方 0人读过 | 我要投稿

被动半导体器件和主动半导体器件（一）

首先，这里我们说的是半导体开关器件不涉及其它类型的器件，我们主要澄清设计选型器件中的常用术语，弄清楚主动和被动的含义以及两类器件中包含的常用器件。

什么是被动半导体器件和主动半导体器件？

被动半导体器件是无源器件的一类，这里的源是指供电电源，而这类器件工作时不需要电源控制或供电，而且这类器件是典型的两端器件，最典型的器件是二极管（包括常规的二极管、稳压二极管、肖特基二极管等），工作时不需要任何驱动电路。

主动半导体器件是有源器件的一类，与无源器件相反，这类器件工作时需要电源控制或供电，否则无法正常工作或不能工作，这类器件是典型的三端器件，其中有一个端子是为控制工作状态而设置的，也称为控制端子，这类器件需要对应的驱动电路，由于其良好的控制特点，功率变换或控制更加灵活，应用更为广泛。

在电力电子系统中，通常主动半导体器件和被动半导体器件需配合使用才能构成完备的系统，如下原理框图，是基础的非隔离升压电路，即Boost电路，可以看到它既有开关管IGBT和MOSFET，又存在单向导电的二极管，同时可以看到有源器件附带一套驱动电路，其应用相比无源器件更为复杂……

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被动半导体器件和主动半导体器件存在形式的现状

对于被动半导体功率开关器件，最常见的是硅（Si）二极管，包括PN结形式和肖特基（Schotty）的二极管，目前还有宽禁带材料的碳化硅（SiC）二极管，从前面可知，由于材料的优势它扩展了硅基二极管耐压的范围，尤其是对硅基肖特基二极管进行了极大的弥补。

对于硅基的肖特基二极管，由于材料性质限制和结构特性，其实际使用器件的耐压通常不超过200V，其耐压等级处于比较低的电压范围，通常用在低压整流电路中，使用在一些特殊电路中一定要注意其漏电流问题，尤其是高温漏电流问题，比如一些高阻抗采样端口的钳位电路，而碳化硅依靠自身的材料特性，将肖特基耐压提高了很多。所以钳位电路中对高阻抗输入端口，需要避免漏电流对正确信号的影响，选择时一定注意漏电流的大小。

对于主动或有源半导体器件，以下是常用电压等级的器件，对于SiC器件我们只列出了SiC MOSFET，但目前硅基领域有的器件，SiC基器件均已出现，虽然SiC基的P型材料制作工艺不易。但是在传统的3300V或6500V耐压等级的IGBT中，SiC MOSFET以其相对简单的结构以及SiC材料带来的优良特性，SiC MOSFET完全可以替代SiC IGBT，也就没必要做SiC IGBT了，对于电压等级更高即超高压领域的功率开关器件，由于导电调制效应，双载流子器件相对较低的导通损耗优势又会显现出来，如10KV~20KV耐压等级的SiC IGBT。

对于超级结MOSFET，即SJ MOSFET是对硅材料器件在500V至600V以上的MOSFET做的一种结构改进（通常耐压在1700V以内），这有效降低了在较高电压等级下MOSFET的沟道导通电阻“Rdson”，目前在中小功率领域中得到广泛的应用，尤其是在带有PFC电路的反激式开关电源中，由于母线电压的提高加上反射电压反射电压，使得要求的器件耐压升高，加之散热和效率的需求，在结合成本等方面因素下使用SJ MOSFET是不错的选择，当然还有像中小功率的光伏逆变器中也会综合因素而选择SJ MOSFET。

下图中常用可控半导体器件类型和其工作频率的关系图，从中也可以看到，在500V及以上的耐压范围，IGBT和超级结MOSFET是对MOSFET器件的一种补充或衔接，这就是为什么说IGBT适用于高压大电流的原因，因为500V及以上耐压的普通MOSFET器件，其内阻急剧增大限制了其使用范围，当然这些都是器件结构、工艺和材料等综合因素决定的……

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导电调制效应及其对器件特性的影响

其原理是P区的空穴不仅吸引漂移区N-的电子同时吸引衬底或基底N+区的电子，也称为载流子双倍注入，二极管等半导体器件需要的阻断电压越高，则漂移区越宽，由于漂移区的掺杂浓度低，会造成明显的欧姆电阻，这个也是决定器件内阻的主因，会导致器件导通损耗增加等不利因素，而导电调制效应使得漂移区的载流子浓度上升，使得欧姆电阻大大降低。

导通时，使得原来漂移区的电子浓度升高，从而降低欧姆电阻，这种效应发生在具有双载流子参与导电的器件，如二极管、IGBT等，也就是说多子或电子参与导电的肖特基（Schotty）是不存在这种效应的，因此，尤其是高压硅基肖特基二极管，很难制造出性能超越普通PN结的二极管，由于漏电流大的问题，无导电调制效应导致的高导通电压都是限制高压硅肖特基二极管使用的重要因素。

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氮化镓及其器件的概述

氮化镓器件的概述

前面我们简单提了一下这类器件叫做GaN HEMT，其导电原理是二维电子气（Two dimensional electron gas），是一种接近金属材料导电特性的器件（多子器件的特点），这种器件都能够工作于超高频和超高速领域，原因就在于它是利用具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的（多子的电子导电，且无掺杂因素的的影响，因此无载流子惯性效应，载流子迁移率高，决定了GaN是高速器件）；HEMT（High Electron Mobility Transistor），高电子迁移率晶体管。这是一种异质结场效应晶体管，又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）、二维电子气场效应晶体管（2DEGFET）、选择掺杂异质结晶体管 (SDHT)等。

二维电子气形成的机理

由于AlGaN层较薄且AlGaN材料的晶格常数大于GaN材料，二者的晶格失配使AlGaN层受到拉应力，最终由于AlGaN的自发极化强度和压力极化强度均强于GaN材料，在二者的异质结界面经过电荷抵消之后会留下形成净的正极化电荷，而在异质结界面处会感应产生出跟正的极化电荷密度同样大小的带负电荷的电子，这个就是二维电子气-2DEG，因此二维电子气是自发极化效应和压电极化效应的结果。

注意：异质结，这是区别PN结的一种结构，也是GaN HEMT的主要结构特征。

对于GaN器件也存在耗尽型（D-mode，D代表Depletion，是耗尽的意思）和增强型（E-mode,E代表Enhancement，是增强的意思）HEMT，如下将分别介绍其结构特点……

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