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最近20年来，功率器件及其封装技术的迅猛发展，导致了电力电子技术领域的巨大变化。当今的市场要求电力电子装置要具有宽广的应用范围、量体裁衣的解决方案、集成化、智能化、更小的体积和重量、效率更高的芯片、更加优质价廉、更长的寿命和更短的产品开发周期。在过去的数年中已有众多的研发成果不断提供新的、经济安全的解决方案，从而将功率模块大量地引入到一系列的工业和消费领域中。
因此，有必要就功率模块的应用技术，如选型、驱动、保护、冷却、并联和串联以及软开关电路等，进行一次全面的系列介绍。
1 IGBT和MOSFET功率模块
1.1 应用范围
如图1所示，当前众多的电力电子电路可由功率MOSFET或IGBT来实现。从上世纪80年代开始，它们先后出现于市场。与传统的晶闸管相比，它们具有一系列的优点，如可关断的特性（包括在短路状态下）、不需要缓冲网络、控制单元简单、开关时间短、开关损耗低等。
图1 功率半导体的应用范围
现在，电力电子技术不断地渗透到新的应用领域中，这首先归功于IGBT和功率MOSFET的迅速发展。同时，它们的应用在其现有的领域内也在不断地深化。数年前，高耐压双极型功率晶体管还被广泛地应用着。而现在只能在少数例外情况下发现它的踪影，其位置已几乎完全被IGBT所取代。
在电流达数十A或以上的应用中，功率MOSFET及IGBT大多为含有硅芯片的绝缘式功率模块。这些模块含有一个或数个晶体管单元，以及和晶体管相匹配的二极管（续流二极管），某些情况下还含有无源元件和智能部分。
虽然功率模块存在仅能单面冷却的缺点，但它还是被广泛地应用于大功率电力电子技术中，与同期问世的平板式IGBT/二极管器件一争高低。尽管平板式器件在双面冷却的条件下可以多散发约30％的热损耗，但功率模块仍然受到用户广泛的欢迎。其原因除了安装简易外，还在于模块的芯片和散热器之间的绝缘、其内部多个不同元器件的可组合性、以及由于大批量生产而导致的低成本。
在当今的市场上，尽管各种有竞争性的功率器件都在不断地发展，但是IGBT模块却稳稳胜出，它的功率范围也在不断延伸。目前生产的IGBT模块已具有了6?5kV、4.6kV、3.3kV和2.5kV的正向阻断电压。以此为基础，MW级的、电压至6kV的变流器（采用IGBT串联的电路）已经出现。
另一方面，MOSFET则被应用于越来越高的频率范围。今天，使用合适的电路拓扑与封装技术，已经可以在500kHz以上实现较大的电流。
IGBT和MOSFET模块已经成为集成电子系统的基本器件，同时也正在成为集成机电系统的基本器件。
1.2 结构和基本功能
下面所述的功率MOSFET和IGBT均指n沟道增强型，因为，它代表了构成功率模块的晶体管的主流。
在一个正向的驱动电压作用下，一块p导通型的硅材料会形成一个导电的沟道。这时，导电的载流子为电子（多子）。在驱动电压消失后，该器件处于截止状态（自截止）。
在大多数情况下，人们采用图2和图4所示的垂直式结构。在这里，栅极和源极（MOSFET）或发射极（IGBT）均位于芯片上表面，而芯片底面则构成了漏极（MOSFET）或集电极（IGBT）。负载电流在沟道之外垂直通过芯片。
在图2所示的功率MOSFET和图4所示的IGBT具有平面式栅极结构，也就是说，在导通状态下，导电沟道是横向的（水平的）。
平面栅极（在现代高密度晶体管中更发展为双重扩散栅极）仍是目前功率MOSFET和IGBT中占统治地位的栅极结构。
平面式MOSFET和IGBT结构是从微电子技术移植而来的，其漏极或集电极由n＋（MOSFET）或p＋（IGBT）井区构成，位于芯片表面。负载电流水平地流经芯片。借助于一个氧化层，n区可以与衬底相互隔离，从而有可能将多个相互绝缘的MOSFET或IGBT与其他结构一起集成于一个芯片之上。
由于平面式晶体管的电流密度仅能达到垂直式结构的30％，因而明显地需要更多的安装面积，所以，它们主要被用在复杂的单芯片电路中。
从构造上来看，功率MOSFET（图2）以及IGBT（图4）由众多的硅微单元组成。每cm2芯片上的单元数可达8.2×105（最新的耐压为60V的MOSFET）以及1×105（高耐压IGBT）。
图2、图4显示了MOSFET和IGBT具有相似的控制区结构。
n－区在截止状态下构成空间电荷区。p导通井区被植入其内，它在边缘地带的掺杂浓度较低（p－），而在中心地带则较高（p＋）。
在这些井区里存在着层状的n＋型硅，它们与源极端（MOSFET）或发射极端（IGBT）的金属铝表面相连。在这些n＋区之上，先是植入一层薄的SiO2绝缘层，然后再形成控制区（栅极），例如采用n＋型多晶硅材料。
当一个足够高的正向驱动电压被加在栅极和源极（MOSFET）或发射极（IGBT）之间时，在栅极下面的p区将会形成一个反型层的（n导通沟道）。经由这个通道，电子可以从源极或发射极流向n－漂移区。
直至n－区为止，MOSFET和IGBT具有类似的结构。它们出现在第三极区，从而决定了各自不同的性能。
1.2.1 Power MOSFET
图2清楚地显示了一个n沟道增强型垂直式结构的功率MOSFET的结构和功能。图2中的栅极结构为平面式。
(a)MOSFET单元及其导通时的电荷流动方向(b)通用电气符号
图2 功率MOSFET（西门子公司的SIPMOS）
在MOSFET中，上述的层状结构是在一块n＋导通型的硅基片上采用外延生长、植入、扩散等方法来实现的。硅基片的背面形成了漏极。
当电压在漏极和源极之间产生一个电场时，流向漂移区的电子会被吸引至漏极，空间电荷会因此而缩小。同时，漏源电压下降，主电流（漏极电流）得以流动。
因为，在漂移区内形成电流的电子全部是多子，所以，在高阻的n－区内不会出现两种载流子的泛滥。因此，MOSFET是一个单极型器件。
在低耐压的MOSFET器件中，微单元的电阻约占MOSFET的通态电阻的5％～30％。而对于高截止电压的MOSFET来说，其通态电阻的约95％由n－外延区的电阻所决定。
因此，通态压降
VDS(on)=IDRDS(on)（1）
式中：ID为漏极电流；
RDS(on)为通态电阻。
RDS(on)=kV(BR)DS（2）
式中：k为材料常数，当芯片面积为1cm2时，k=8.3×10－9A－1；
V（BR）DS为漏源正向击穿电压。
对于现在市场上的MOSFET来说，当它的截止电压大于200～400V时，其通态压降的理论极限值总是大于同等大小的双极型器件，而其电流承载能力则小于后者。
另一方面，仅仅由多子承担的电荷运输没有任何存储效应，因此，很容易实现极短的开关时间。当然，在芯片尺寸很大的器件中（高耐压/大电流），其内部电容充放电所需的驱动电流会相当大，因为，每cm2的芯片面积上的电容约0.3μF。
这些由MOSFET的物理结构所决定的电容是其最重要的寄生参数。图3表示了它们的起源和等效电路图。表1解释了图3中各种寄生电容和电阻的起源和符号。
（a）单元结构内的寄生元件
（b）带有寄生元件的等效电路
图3 功率MOSFET的单元及其主要寄生元件
表1 MOSFET的寄生电容及电阻
符号 名称 起源
CGS 栅－源电容 栅极和源极的金属化部分的重叠，取决于栅源电压，但与漏源电压无关。
CDS 漏－源电容 n－漂移区和p井区之间的结电容，取决于单元面积、击穿电压以及漏源电压。
GGD 栅－漏电容 米勒电容，由栅极和n－漂移区之间的重叠而产生。
RG 栅极内阻 多晶硅栅极的电阻，在多芯片并联的模块中，常常还有附加的串联电阻以削弱芯片之间的振荡。
RD 漏极电阻 n－漂移区的电阻，占MOSFET通态电阻的主要部分。
RW p井区横向电阻 寄生npn双极型晶体管的基极－发射极之间的电阻。
1.2.2 IGBT
图4清楚地显示了一个n沟道增强型垂直式IGBT的结构和功能。图中的IGBT具有非穿通式NPT（Non Punch Through）结构，栅极为平面式。
（a）IGBT单元及其导通（b）通用电气时的电荷分布符号
图4 NPT结构的IGBT
和MOSFET有所不同，在IGBT的n区之下有一个p＋导通区，它通向集电极。
流经n－漂移区的电子在进入p＋区时，会导致正电荷载流子（空穴）由p＋区注入n－区。这些被注入的空穴既从漂移区流向发射极端的p区，也经由MOS沟道及n井区横向流入发射极。因此，在n－漂移区内，构成主电流（集电极电流）的载流子出现了过盈现象。这一载流子的增强效应导致了空间电荷区的缩小以及集电极－发射极电压的降低。
尽管同MOSFET的纯电阻导通特性相比，IGBT还需加上集电极端pn结的开启电压，但对于高截止电压的IGBT器件来说（从大约400V起），因为，高阻的n－区出现了少子增强效应，所以，器件的导通压降仍比MOSFET要低。这样，在相同的芯片面积上，IGBT可以设计的电流比MOSFET更大。
另一方面，在关断期间和随后产生的集电极电压的上升过程中，还来不及被释放的大部分p存储电荷Qs必须在n－区内被再复合。Qs在负载电流较小时几乎呈线性增长，而在额定电流以及过电流区域则由以下指数关系所决定：
Qs～I0.8～1当电流小于额定电流时；
Qs～I0.5当电流等于或大于额定电流时；
Qs～V(BR)CE2～2.7。
存储电荷的增强与耗散引发了开关损耗、延迟时间（存储时间）、以及在关断时还会引发集电极拖尾电流。
目前，除了图4所显示的非穿通结构之外，穿通型结构（PT=Punch Through）的IGBT也得到了应用。最初的IGBT就是基于后者而形成的。
两种结构的基本区别在于，在PT型IGBT的n－和p＋区之间存在一个高扩散浓度的n＋层（缓冲层）。另外，两者的制造工艺也不同。
在PT型IGBT中，n＋和n－层一般是在一块p型基片上外延生长而成。而NPT型IGBT的基本材料是一块弱扩散的n型薄硅片，在其背面植入了集电极端的p＋区。两种IGBT的顶部结构相同，均为平面式的MOS控制区。
图5比较了两种IGBT的构造及其正向截止状态下的电场强度分布。 |
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