功率器件簡介

本文講功率器件保護措施有哪些？我們先對功率器件做一個簡單的介紹。功率半導體是集成電路一個非常重要的組成部分，市場空間有400多億美元，從大方面講有200多億美元是功率IC，還有100多億是功率器件。手機充電器，手機當中都會有功率器件。功率器件主要的部分，體量比較大的是IGBT。把IGBT、VDMOS做好，就是一個很好的硬件廠商。IGBT模塊是雙子器件，它的特點是頻率低一點，但是能量密度稍微大一點。所以像在新能源汽車，軌道交通應用得更廣泛。

功率器件的重要性，我們從下面2個人說的話就能體現(xiàn)，一個是國際能源互聯(lián)網(wǎng)研究院院長邱宇峰說的，已經(jīng)知道電網(wǎng)將從鋼鐵網(wǎng)變成半導體電網(wǎng)，這是一個方面，半導體電網(wǎng)的核心的部件就是IGBT。另外一個重要的應用領域是軌道交通，我們說高鐵是中國高端制造的名片，但是它的核心部分就是IGBT模塊，類似于手機當中的CPU。還有一個更重要的領域，我們國家強推的新能源汽車，新能源汽車功率器件占整個成本的7%到10%，要到1000美元。

正是因為功率器件在高端行業(yè)有核心的應用，像國家電網(wǎng)本來是做電網(wǎng)的，現(xiàn)在自己也整了個公司做功率器件，做IGBT。

功率器件保護措施詳解

隨著社會的不斷進步，技術的不斷發(fā)展，科技產(chǎn)品也日新月異，產(chǎn)品都需要功率器件，好的功率器件需要更好的設計者來設計，功率器件對電子產(chǎn)品是功不可沒的。目前用于電子產(chǎn)品和自動化電子控制設備及功率半導體器件的保護方法有如下幾種：

一、檢測主電路電流法

該方法是在主電路電源輸入端串聯(lián)接入檢測元件(檢測電阻、互感器等)，通過檢測電路中總電流在檢測元件上的電壓降或電流大小獲得相應電流或電壓信號，經(jīng)過電路放大處理，與保護電路的動作閾值比較，決定保護與否;

該保護方法由于采用了電子技術，和保險絲法相比其靈敏度和反映速度都得到了提高，不過這種方法依然檢測的是電路的總電流，而故障功率半導體器件的工作電流只是總電流的幾分之一甚至幾十分之一，其變化不足以引起保護電路有效反應。

所以該方法總是在故障電流形成之后才有響應，造成檢測結果和保護動作的滯后，根本適應不了對功率半導體器件的保護要求。所以該保護方法和保險絲一樣，只能在功率半導體器件已經(jīng)損壞和惡性過流故障發(fā)生后起到防止故障進一步擴大的作用。對功率器件的保護仍無能為力。

二、并聯(lián)式檢測功率器件電壓法

這種方法就是保護電路與被保護功率器件并聯(lián)連接，通過檢測被保護器件工作時的電壓來獲得信號，根據(jù)電壓情況判斷電路是否出現(xiàn)故障，保護方法采用就地式保護方式，即通過強行切斷被保護功率器件本身的控制信號，迫使其停止工作以實現(xiàn)對其的保護。

由于該方法檢測的是電壓信號，可以在電路出現(xiàn)異常時即時發(fā)現(xiàn)故障，在故障電流還未形成時即進行保護，避免了故障電流對器件的沖擊。根據(jù)對實際應用電路的測試和長期使用證明，保護動作時被保護功率器件的工作電流由正常值減小到零，不存在大電流沖擊，對功率器件的性能壽命無任何影響。所以不怕惡性故障和永久性故障。是一種比較理想的保護方法。

該保護方法還有下列特點：

1、保護電路并聯(lián)接入，主工作回路中不串接任何元件，電源利用率高，無熱源。

2、檢測對象是被保護功率器件的工作電壓，所以保護電路的輸入阻抗高、功耗小，檢測精度高。

3、檢測的是被保護對象本身的工作狀態(tài)，保護又直接施加在被保護對象上，因此針對性強，保護及時可靠。

4、在電路正常時，保護電路只起監(jiān)視功率半導體器件工作情況的作用，不參與更不影響功率半導體器件的工作，當實施保護時只關斷故障涉及到的功率器件(當然，也可在關斷被保護器件的同時切斷單元電路或整個設備的電源供給)，不影響設備其它部分的工作，這點對很多設備非常必要。

該保護電路的不足是：只對被保護器件的工作狀態(tài)進行定性檢測，所以，若用于電壓控制型功率器件，只能對負載短路和嚴重過流故障有理想的保護效果。

三、保險絲法

這是一種傳統(tǒng)的保護方法。保險絲常串接在電路的電源輸入端用以控制整個電路的總電流。其工作原理是靠電路出現(xiàn)故障后增大的故障電流流過保險絲時導致其發(fā)熱升溫自行熔化，以切斷電源供給達到保護目的。保險絲法有實施簡單、維護容易、成本低，保護時電源切斷徹底等優(yōu)點，所以被廣泛應用在目前所有的電子電路和電子設備中。

不過，由于保險絲中流過的是電路的總電流，單只功率半導體器件中工作電流的變化不足以引起其有效反應;加之保險絲熔化速度慢，只能在功率半導體器件損壞后或電路惡性短路故障發(fā)生后故障電流成倍增加之后才會熔斷，所以，只能起到防止故障進一步擴大的作用，對功率半導體器件起不到保護作用。

四、檢測功率器件工作電流法

這是目前比較常用的功率半導體器件保護方法，對功率半導體器件有一定的保護作用。該方法是在被保護的功率半導體器件工作電流通路中串入檢測元件(電阻或電流互感器等)，通過檢測被保護器件的工作電流在檢測元件上的電流或電壓信號，再經(jīng)電路處理獲得故障信號，通過??保險絲或關斷電源等方法進行保護。

檢測功率器件工作電流法的工作原理和線路結構與檢測主電路電流法相同，不同的是檢測對象是被保護器件的工作電流，所以靈敏度比檢測主電路電流法要高，效果也要好。如果該方法是采用電子器件關斷電流通路來實施保護，就能在管子發(fā)生過流故障后起到一定保護作用。

不過因該方案仍采用檢測電流法，即總是在故障形成、被保護器件受到高電壓、大電流的沖擊后才能檢測出故障信號然后進行保護，仍然造成信號獲取滯后。如果被保護器件選用的功率余量小或電路故障嚴重，被保護器件仍然會立即損壞;若被保護器件功率余量大而且故障程度不嚴重時器件一般不會損壞;

不過由于故障電流的沖擊仍造成被保護器件的性能明顯下降、壽命減短，給整機的性能和可靠性埋下隱患。所以該方法對惡性過流、負載短路等故障起初幾次有一些保護效果，但性能仍不理想。實際使用證明，器件經(jīng)過有限幾次故障電流的沖擊就失效了。

檢測被保護器件工作電流法除檢測和保護滯后外，還存在下列缺陷：

1、由于主電流通路中接有電阻或電流互感器等檢測元件，降低了輸出電壓，使輸出功率下降，電源利用率降低，這在采用低電壓供電的電路中矛盾更突出。

2、檢測電阻發(fā)熱量大、散熱困難，易造成整機溫度升高、工作穩(wěn)定性下降。

3、互感器體積大，使用不便;檢測電阻阻值小，要求精度高，導致成本也高。當然，采用其它檢測元件同樣存在這個問題。

4、保護電路復雜，制作困難;一般都是隨機設計、通用性差等。

五、并聯(lián)式檢測工作壓降法

由于功率半導體器件本身導通電阻的存在，任何情況的過載過流都會引起其飽和壓降或工作壓降的增大，即不管半導體器件的工作狀態(tài)如何，通過其任何大小的電流時器件本身都會有一個對應的工作電壓降值;監(jiān)視和監(jiān)測功率半導體器件導通時的電壓降，根據(jù)其電壓降的大小即可判斷過流過載的情況和程度。

該方法的工作原理和連接方法與并聯(lián)式功率器件工作狀態(tài)電壓檢測法相同，所以也具有并聯(lián)式檢測功率半導體器件工作狀態(tài)電壓法的所有優(yōu)點;區(qū)別是該方法對被保護器件的工作電壓進行定量檢測，因而對工作狀態(tài)的測量和故障的判斷更準確。

功率器件的技術發(fā)展趨勢

所有的高壓器件，這個技術是電子科大提出的，也因為這項工作獲得了中科院的院士資格。這可以寫進教科書，當時介紹的時候用了這么一句話，在半導體的歷史上，陳先生把這個理論給推翻了，在半導體行業(yè)這是第一次。以至于陳先生的工作，正是因為他的奠基性的工作，使得公司在這個行業(yè)是非常領先的。

從國內(nèi)來看，這個結構看起來很簡單，實際上有兩種，一個是溝槽，一個是多次外延和注入。多次外延占了80%的市場份額，因為它的生產(chǎn)歷史比較早，在陳院士提出來以后，他把專利很早提出來了，但是國內(nèi)實現(xiàn)不了，后來infineon看了專利以后用了幾年的時間，1998年就實現(xiàn)了。所以它的市場化份額開始得比較早。

下面是溝槽刻蝕和回填，這就是先挖一個，再填充，這個工藝現(xiàn)在主要是華虹采取這個工藝。主要有兩家廠家做，從工藝角度來說，華虹的工藝更好。在很深的溝槽里面填充一個沒有缺陷的P型單晶是非常有挑戰(zhàn)性的，你可以在市場上看，華虹是非常好。大家有機會看看華虹每個財季的財報都很漂亮，利潤很高。再仔細看業(yè)務拆分的話，排第一的就是高壓超結。

下面是低壓的VDMOS，一開始也是平面的，再到普通溝槽，然后到現(xiàn)在最熱的SGT，現(xiàn)在是非常熱的。實際上每一家的斷代都不一樣，但都是從平面的PT結構，到最新的PF+RC。從芯片厚度來說，頭發(fā)絲直徑30微米，IGBT60V在五六十微米，所以在8寸上面的精度非常高。應該來說國內(nèi)和國際有兩代到三代的差別，所以目前IGBT落后還是蠻多的。在學術界熱的就是寬禁代，在五年之內(nèi)寬禁代碳化硅也會發(fā)展平穩(wěn)，以未來十年來看，增長量會非常大。

今天這個節(jié)點上，國內(nèi)碳化硅和氮化鎵剛剛興起。剛才談的是行業(yè)的現(xiàn)狀，現(xiàn)在談中國的現(xiàn)狀，因為比較分散，數(shù)據(jù)也不好搞，所以很多數(shù)據(jù)是來自國外的。這是2012年的一個報告，從這個上面結合我剛才談的圖，功率器件的市場基本上是在中國，我估計70%的功率器件在中國。
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