功率(lv)器件5大保护(hu)措施详解及技术发展趋势如何-KIA MOS管
信(xin)息来源:本站(zhan) 日(ri)期(qi):2019-10-12
本文讲(jiang)功率(lv)(lv)器(qi)件(jian)保护措施有(you)(you)哪些(xie)?我们(men)先对(dui)功率(lv)(lv)器(qi)件(jian)做一(yi)(yi)个(ge)简单的(de)介绍(shao)。功率(lv)(lv)半导体是(shi)集成(cheng)电路一(yi)(yi)个(ge)非常(chang)重要的(de)组成(cheng)部分(fen),市(shi)场空间有(you)(you)400多亿(yi)美(mei)元,从大方面讲(jiang)有(you)(you)200多亿(yi)美(mei)元是(shi)功率(lv)(lv)IC,还有(you)(you)100多亿(yi)是(shi)功率(lv)(lv)器(qi)件(jian)。手(shou)机充(chong)电器(qi),手(shou)机当中都(dou)会有(you)(you)功率(lv)(lv)器(qi)件(jian)。功率(lv)(lv)器(qi)件(jian)主要的(de)部分(fen),体量(liang)比较大的(de)是(shi)IGBT。把(ba)IGBT、VDMOS做好(hao),就是(shi)一(yi)(yi)个(ge)很好(hao)的(de)硬件(jian)厂商。IGBT模块是(shi)双子器(qi)件(jian),它的(de)特点是(shi)频率(lv)(lv)低一(yi)(yi)点,但是(shi)能量(liang)密(mi)度稍微大一(yi)(yi)点。所以像(xiang)在新能源汽车(che),轨道交通应用得更广泛(fan)。
功率(lv)器件的(de)重(zhong)要性,我(wo)们(men)从下面2个(ge)人说(shuo)的(de)话就能体(ti)现,一(yi)个(ge)是(shi)国际能源(yuan)互(hu)联网(wang)(wang)研(yan)究(jiu)院院长邱宇峰(feng)说(shuo)的(de),已经知道电(dian)(dian)网(wang)(wang)将(jiang)从钢铁(tie)网(wang)(wang)变成半导体(ti)电(dian)(dian)网(wang)(wang),这是(shi)一(yi)个(ge)方面,半导体(ti)电(dian)(dian)网(wang)(wang)的(de)核(he)心的(de)部(bu)件就是(shi)IGBT。另外一(yi)个(ge)重(zhong)要的(de)应用领域(yu)(yu)是(shi)轨道交通,我(wo)们(men)说(shuo)高(gao)铁(tie)是(shi)中(zhong)国高(gao)端制造的(de)名片,但是(shi)它的(de)核(he)心部(bu)分就是(shi)IGBT模(mo)块(kuai),类似于(yu)手机当中(zhong)的(de)CPU。还有一(yi)个(ge)更重(zhong)要的(de)领域(yu)(yu),我(wo)们(men)国家强推的(de)新能源(yuan)汽车(che),新能源(yuan)汽车(che)功率(lv)器件占整个(ge)成本的(de)7%到10%,要到1000美(mei)元。
正是因(yin)为(wei)功(gong)率器(qi)件在高端行业有核心(xin)的(de)应用,像(xiang)国家电网本来是做电网的(de),现在自(zi)己也整了个公司做功(gong)率器(qi)件,做IGBT。
随着社会的(de)不断(duan)进步,技(ji)术的(de)不断(duan)发展,科技(ji)产(chan)品也日(ri)新月异(yi),产(chan)品都需要(yao)功(gong)率(lv)(lv)器件(jian)(jian),好的(de)功(gong)率(lv)(lv)器件(jian)(jian)需要(yao)更好的(de)设(she)计者来设(she)计,功(gong)率(lv)(lv)器件(jian)(jian)对电(dian)(dian)子产(chan)品是(shi)功(gong)不可没的(de)。目前用(yong)于电(dian)(dian)子产(chan)品和(he)自动化电(dian)(dian)子控制设(she)备及功(gong)率(lv)(lv)半导体器件(jian)(jian)的(de)保护方法有如下几种:
该方法(fa)是在主电(dian)(dian)(dian)路电(dian)(dian)(dian)源(yuan)输入端串联(lian)接入检测元件(jian)(检测电(dian)(dian)(dian)阻、互感器等),通过检测电(dian)(dian)(dian)路中总电(dian)(dian)(dian)流在检测元件(jian)上的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)压(ya)降或电(dian)(dian)(dian)流大小获得(de)相应电(dian)(dian)(dian)流或电(dian)(dian)(dian)压(ya)信(xin)号,经(jing)过电(dian)(dian)(dian)路放大处理,与(yu)保(bao)护电(dian)(dian)(dian)路的(de)(de)动作(zuo)阈值(zhi)比较,决定保(bao)护与(yu)否(fou);
该(gai)保护(hu)方(fang)法由于采用(yong)了电(dian)(dian)(dian)子(zi)技术,和保险丝法相比其灵敏度和反映速(su)度都得到(dao)了提高,不过这种(zhong)方(fang)法依(yi)然检测的是电(dian)(dian)(dian)路(lu)的总电(dian)(dian)(dian)流(liu),而故障功率(lv)半导体器件的工作电(dian)(dian)(dian)流(liu)只是总电(dian)(dian)(dian)流(liu)的几(ji)分之一甚至(zhi)几(ji)十分之一,其变化(hua)不足以引起保护(hu)电(dian)(dian)(dian)路(lu)有(you)效(xiao)反应(ying)。
所(suo)以(yi)该方(fang)法(fa)总是在故障(zhang)电流形成(cheng)之后(hou)才(cai)有响(xiang)应,造(zao)成(cheng)检测结果和保(bao)护(hu)动(dong)作的滞后(hou),根本适(shi)应不了对功率(lv)半(ban)导体(ti)器(qi)件(jian)(jian)的保(bao)护(hu)要求。所(suo)以(yi)该保(bao)护(hu)方(fang)法(fa)和保(bao)险丝一(yi)样,只能在功率(lv)半(ban)导体(ti)器(qi)件(jian)(jian)已经损(sun)坏和恶性过(guo)流故障(zhang)发生后(hou)起到防止故障(zhang)进一(yi)步扩大的作用。对功率(lv)器(qi)件(jian)(jian)的保(bao)护(hu)仍无能为力。
这种方(fang)法就(jiu)是保护(hu)电路(lu)(lu)与被(bei)保护(hu)功率器(qi)件并联连接,通(tong)过(guo)检测被(bei)保护(hu)器(qi)件工作时的(de)电压来获得信号,根据电压情况判断电路(lu)(lu)是否出(chu)现(xian)故(gu)障(zhang),保护(hu)方(fang)法采用就(jiu)地(di)式(shi)保护(hu)方(fang)式(shi),即(ji)通(tong)过(guo)强(qiang)行切断被(bei)保护(hu)功率器(qi)件本(ben)身的(de)控制信号,迫(po)使其停止工作以实现(xian)对(dui)其的(de)保护(hu)。
由(you)于该方法检测(ce)的(de)(de)是电(dian)压(ya)信号,可以在电(dian)路出现(xian)异常时(shi)即(ji)时(shi)发现(xian)故障(zhang),在故障(zhang)电(dian)流(liu)(liu)(liu)还未形成时(shi)即(ji)进(jin)行保护,避免(mian)了(le)故障(zhang)电(dian)流(liu)(liu)(liu)对(dui)器件(jian)的(de)(de)冲(chong)击。根据对(dui)实际应用电(dian)路的(de)(de)测(ce)试和(he)长(zhang)期使用证(zheng)明,保护动(dong)作时(shi)被保护功率器件(jian)的(de)(de)工作电(dian)流(liu)(liu)(liu)由(you)正(zheng)常值减(jian)小到(dao)零,不存在大(da)电(dian)流(liu)(liu)(liu)冲(chong)击,对(dui)功率器件(jian)的(de)(de)性(xing)能寿命无任何影响。所以不怕恶性(xing)故障(zhang)和(he)永久性(xing)故障(zhang)。是一种比较理想的(de)(de)保护方法。
该保护方法还有下列特点:
1、保护电路(lu)并联(lian)接入,主工作(zuo)回(hui)路(lu)中(zhong)不串(chuan)接任何元件,电源(yuan)利(li)用率(lv)高,无热源(yuan)。
2、检测对象是被保护(hu)功(gong)率器件的工作电压(ya),所以保护(hu)电路的输入阻抗高、功(gong)耗(hao)小,检测精度高。
3、检(jian)测的是被(bei)保(bao)护对(dui)象(xiang)本身的工作状态,保(bao)护又直接施加在(zai)被(bei)保(bao)护对(dui)象(xiang)上,因此(ci)针对(dui)性(xing)强(qiang),保(bao)护及时可靠。
4、在(zai)电路正常时,保(bao)护(hu)电路只(zhi)起(qi)监视功(gong)率(lv)半(ban)导体(ti)器(qi)件(jian)工作(zuo)情况的(de)作(zuo)用,不(bu)参与(yu)更不(bu)影响功(gong)率(lv)半(ban)导体(ti)器(qi)件(jian)的(de)工作(zuo),当实施保(bao)护(hu)时只(zhi)关断(duan)故(gu)障涉及(ji)到的(de)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)(当然,也可在(zai)关断(duan)被保(bao)护(hu)器(qi)件(jian)的(de)同时切断(duan)单(dan)元电路或整个(ge)设备的(de)电源供给),不(bu)影响设备其它(ta)部分的(de)工作(zuo),这(zhei)点对很多设备非常必(bi)要。
该保(bao)护电(dian)路(lu)的(de)不足(zu)是:只对被保(bao)护器件的(de)工作状(zhuang)态进行(xing)定性检测,所以,若用(yong)于电(dian)压控制型功率器件,只能对负(fu)载短路(lu)和严重过流(liu)故(gu)障有(you)理(li)想的(de)保(bao)护效果。
这(zhei)是一种传统的(de)保(bao)护(hu)(hu)方法。保(bao)险丝(si)常串接在(zai)电(dian)(dian)路(lu)的(de)电(dian)(dian)源输入(ru)端用(yong)以控制(zhi)整个电(dian)(dian)路(lu)的(de)总电(dian)(dian)流。其工作原理是靠电(dian)(dian)路(lu)出(chu)现故(gu)障后增(zeng)大的(de)故(gu)障电(dian)(dian)流流过保(bao)险丝(si)时导致其发热升(sheng)温自行熔化,以切(qie)断电(dian)(dian)源供给(ji)达到保(bao)护(hu)(hu)目的(de)。保(bao)险丝(si)法有实施简(jian)单、维护(hu)(hu)容易、成本(ben)低,保(bao)护(hu)(hu)时电(dian)(dian)源切(qie)断彻底等优点,所以被广(guang)泛应用(yong)在(zai)目前所有的(de)电(dian)(dian)子(zi)电(dian)(dian)路(lu)和电(dian)(dian)子(zi)设备中。
不(bu)过(guo),由于保险(xian)丝中(zhong)流(liu)过(guo)的(de)(de)是(shi)电路(lu)的(de)(de)总电流(liu),单只(zhi)(zhi)功(gong)率(lv)(lv)半(ban)导(dao)体(ti)器(qi)件(jian)中(zhong)工作电流(liu)的(de)(de)变化不(bu)足(zu)以引起其有效反应;加(jia)之(zhi)保险(xian)丝熔(rong)化速(su)度慢,只(zhi)(zhi)能(neng)在功(gong)率(lv)(lv)半(ban)导(dao)体(ti)器(qi)件(jian)损坏(huai)后(hou)或电路(lu)恶性短路(lu)故(gu)障发生后(hou)故(gu)障电流(liu)成倍增加(jia)之(zhi)后(hou)才(cai)会熔(rong)断,所以,只(zhi)(zhi)能(neng)起到防止故(gu)障进一步扩大的(de)(de)作用,对功(gong)率(lv)(lv)半(ban)导(dao)体(ti)器(qi)件(jian)起不(bu)到保护作用。
这(zhei)是目前比较常用(yong)(yong)的(de)(de)功(gong)率(lv)半导(dao)体器(qi)(qi)件(jian)(jian)保护方法(fa),对功(gong)率(lv)半导(dao)体器(qi)(qi)件(jian)(jian)有一(yi)定的(de)(de)保护作用(yong)(yong)。该方法(fa)是在(zai)被保护的(de)(de)功(gong)率(lv)半导(dao)体器(qi)(qi)件(jian)(jian)工(gong)作电(dian)流(liu)通路(lu)中(zhong)串入检测元(yuan)件(jian)(jian)(电(dian)阻或(huo)(huo)电(dian)流(liu)互(hu)感器(qi)(qi)等(deng)),通过(guo)检测被保护器(qi)(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)工(gong)作电(dian)流(liu)在(zai)检测元(yuan)件(jian)(jian)上的(de)(de)电(dian)流(liu)或(huo)(huo)电(dian)压信号,再经电(dian)路(lu)处(chu)理获(huo)得故障信号,通过(guo)??保险丝或(huo)(huo)关断电(dian)源等(deng)方法(fa)进行保护。
检(jian)测(ce)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)工作(zuo)(zuo)电(dian)流(liu)法(fa)(fa)的(de)(de)工作(zuo)(zuo)原(yuan)理和线路结(jie)构与检(jian)测(ce)主电(dian)路电(dian)流(liu)法(fa)(fa)相同,不同的(de)(de)是(shi)(shi)检(jian)测(ce)对象(xiang)是(shi)(shi)被(bei)保护(hu)器(qi)件(jian)的(de)(de)工作(zuo)(zuo)电(dian)流(liu),所以(yi)灵(ling)敏度(du)比检(jian)测(ce)主电(dian)路电(dian)流(liu)法(fa)(fa)要高,效果(guo)(guo)也(ye)要好(hao)。如果(guo)(guo)该方法(fa)(fa)是(shi)(shi)采用(yong)电(dian)子器(qi)件(jian)关断电(dian)流(liu)通(tong)路来实施保护(hu),就能(neng)在(zai)管子发生过流(liu)故障后起(qi)到一(yi)定(ding)保护(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)。
不过(guo)因该方案(an)仍(reng)采用检测(ce)电流(liu)法,即(ji)总是在故(gu)(gu)(gu)障(zhang)形成(cheng)、被保(bao)(bao)护(hu)器(qi)件受到高电压、大电流(liu)的冲击后才能检测(ce)出故(gu)(gu)(gu)障(zhang)信号(hao)然(ran)后进行保(bao)(bao)护(hu),仍(reng)然(ran)造成(cheng)信号(hao)获取滞后。如果被保(bao)(bao)护(hu)器(qi)件选用的功(gong)率余量小或电路(lu)故(gu)(gu)(gu)障(zhang)严重,被保(bao)(bao)护(hu)器(qi)件仍(reng)然(ran)会(hui)立即(ji)损坏;若被保(bao)(bao)护(hu)器(qi)件功(gong)率余量大而(er)且(qie)故(gu)(gu)(gu)障(zhang)程度(du)不严重时器(qi)件一般(ban)不会(hui)损坏;
不过由于故障(zhang)电流的冲击仍(reng)造成被(bei)保护(hu)器件的性(xing)能明(ming)(ming)显(xian)下降、寿命减短,给整机的性(xing)能和可靠性(xing)埋下隐患(huan)。所以该方法对恶性(xing)过流、负载短路等故障(zhang)起(qi)初几次有一些保护(hu)效果(guo),但性(xing)能仍(reng)不理想。实际使用(yong)证(zheng)明(ming)(ming),器件经过有限几次故障(zhang)电流的冲击就(jiu)失效了。
检测被保护器件工作电流法除检测和保护滞后外,还存在下列缺陷:
1、由于主电(dian)(dian)(dian)流(liu)通(tong)路(lu)中接有电(dian)(dian)(dian)阻或电(dian)(dian)(dian)流(liu)互感器(qi)等检测元件,降(jiang)低(di)(di)了输出(chu)电(dian)(dian)(dian)压(ya),使输出(chu)功率下降(jiang),电(dian)(dian)(dian)源利用(yong)率降(jiang)低(di)(di),这(zhei)在(zai)采用(yong)低(di)(di)电(dian)(dian)(dian)压(ya)供电(dian)(dian)(dian)的电(dian)(dian)(dian)路(lu)中矛盾更突出(chu)。
2、检测电阻发热量(liang)大(da)、散(san)热困难,易造成整(zheng)机温度升高、工(gong)作稳定性下(xia)降。
3、互感器体积大(da),使用(yong)不便;检测电阻(zu)阻(zu)值小,要求(qiu)精度高(gao),导致成本也高(gao)。当然(ran),采(cai)用(yong)其它检测元件(jian)同样存在这个问(wen)题。
4、保护电(dian)路复(fu)杂,制作困(kun)难(nan);一般都是随机设计、通用性(xing)差等(deng)。
由于功(gong)率半(ban)导体(ti)器(qi)件本身(shen)导通(tong)电(dian)阻的(de)(de)存在,任(ren)何情况的(de)(de)过(guo)载过(guo)流(liu)都(dou)会引起其(qi)(qi)饱和压(ya)(ya)降(jiang)或工(gong)(gong)(gong)作(zuo)压(ya)(ya)降(jiang)的(de)(de)增大(da),即(ji)(ji)不(bu)管半(ban)导体(ti)器(qi)件的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)状(zhuang)态如何,通(tong)过(guo)其(qi)(qi)任(ren)何大(da)小的(de)(de)电(dian)流(liu)时器(qi)件本身(shen)都(dou)会有一个对应的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)电(dian)压(ya)(ya)降(jiang)值;监视和监测功(gong)率半(ban)导体(ti)器(qi)件导通(tong)时的(de)(de)电(dian)压(ya)(ya)降(jiang),根(gen)据其(qi)(qi)电(dian)压(ya)(ya)降(jiang)的(de)(de)大(da)小即(ji)(ji)可(ke)判断(duan)过(guo)流(liu)过(guo)载的(de)(de)情况和程度(du)。
该方法(fa)的(de)(de)(de)工(gong)(gong)作原(yuan)理和连接方法(fa)与并联(lian)式功率(lv)器件工(gong)(gong)作状(zhuang)态(tai)电(dian)(dian)压(ya)(ya)检(jian)测法(fa)相同,所(suo)(suo)以也(ye)具(ju)有并联(lian)式检(jian)测功率(lv)半导(dao)体器件工(gong)(gong)作状(zhuang)态(tai)电(dian)(dian)压(ya)(ya)法(fa)的(de)(de)(de)所(suo)(suo)有优点;区别是(shi)该方法(fa)对(dui)被保护器件的(de)(de)(de)工(gong)(gong)作电(dian)(dian)压(ya)(ya)进行定量检(jian)测,因(yin)而对(dui)工(gong)(gong)作状(zhuang)态(tai)的(de)(de)(de)测量和故(gu)障的(de)(de)(de)判断更准确。
所有的(de)(de)(de)高压(ya)器(qi)件,这个技术(shu)是(shi)电子科(ke)大(da)提出的(de)(de)(de),也因为这项工作(zuo)获得(de)了(le)中科(ke)院的(de)(de)(de)院士(shi)资格(ge)。这可以(yi)写进(jin)教科(ke)书,当时(shi)介绍的(de)(de)(de)时(shi)候用了(le)这么一句(ju)话,在半(ban)(ban)导体的(de)(de)(de)历史上,陈先生(sheng)把这个理(li)论给推翻了(le),在半(ban)(ban)导体行(xing)业这是(shi)第一次。以(yi)至于陈先生(sheng)的(de)(de)(de)工作(zuo),正是(shi)因为他的(de)(de)(de)奠基性的(de)(de)(de)工作(zuo),使得(de)公司在这个行(xing)业是(shi)非常领先的(de)(de)(de)。
从国内来(lai)(lai)(lai)看(kan),这个(ge)结(jie)构(gou)看(kan)起来(lai)(lai)(lai)很(hen)简单,实(shi)际上(shang)有两(liang)种(zhong),一(yi)个(ge)是(shi)沟槽(cao),一(yi)个(ge)是(shi)多次(ci)外延和注入(ru)。多次(ci)外延占了(le)80%的(de)市场(chang)份额,因(yin)为它的(de)生产历史(shi)比较早(zao),在陈(chen)院士(shi)提(ti)出来(lai)(lai)(lai)以(yi)(yi)(yi)后,他(ta)把(ba)专利很(hen)早(zao)提(ti)出来(lai)(lai)(lai)了(le),但是(shi)国内实(shi)现不了(le),后来(lai)(lai)(lai)infineon看(kan)了(le)专利以(yi)(yi)(yi)后用了(le)几年的(de)时间,1998年就(jiu)实(shi)现了(le)。所以(yi)(yi)(yi)它的(de)市场(chang)化份额开(kai)始得比较早(zao)。
下(xia)面是(shi)沟(gou)槽刻(ke)蚀(shi)和回填(tian),这(zhei)就是(shi)先挖一个(ge),再(zai)填(tian)充(chong)(chong),这(zhei)个(ge)工(gong)艺现在主要是(shi)华(hua)虹采(cai)取这(zhei)个(ge)工(gong)艺。主要有(you)两家厂家做,从工(gong)艺角(jiao)度来说,华(hua)虹的(de)(de)(de)工(gong)艺更好(hao)。在很(hen)深的(de)(de)(de)沟(gou)槽里面填(tian)充(chong)(chong)一个(ge)没有(you)缺陷的(de)(de)(de)P型单晶是(shi)非常有(you)挑战(zhan)性(xing)的(de)(de)(de),你(ni)可以在市场上看,华(hua)虹是(shi)非常好(hao)。大家有(you)机会看看华(hua)虹每个(ge)财(cai)季(ji)的(de)(de)(de)财(cai)报都很(hen)漂亮,利(li)润很(hen)高。再(zai)仔(zi)细看业务拆分的(de)(de)(de)话,排第一的(de)(de)(de)就是(shi)高压(ya)超结。
下(xia)面(mian)(mian)是(shi)(shi)(shi)低压的(de)(de)(de)VDMOS,一(yi)开始也是(shi)(shi)(shi)平(ping)面(mian)(mian)的(de)(de)(de),再到普通沟槽,然后到现在(zai)最热的(de)(de)(de)SGT,现在(zai)是(shi)(shi)(shi)非(fei)常热的(de)(de)(de)。实际上每(mei)一(yi)家的(de)(de)(de)断代(dai)都(dou)不一(yi)样,但都(dou)是(shi)(shi)(shi)从平(ping)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)PT结构,到最新的(de)(de)(de)PF+RC。从芯片厚(hou)度(du)来(lai)(lai)说,头发丝直径30微(wei)米,IGBT60V在(zai)五六十微(wei)米,所以(yi)在(zai)8寸上面(mian)(mian)的(de)(de)(de)精度(du)非(fei)常高。应该来(lai)(lai)说国(guo)内(nei)和国(guo)际有两代(dai)到三代(dai)的(de)(de)(de)差别,所以(yi)目前IGBT落后还是(shi)(shi)(shi)蛮多(duo)的(de)(de)(de)。在(zai)学(xue)术界热的(de)(de)(de)就是(shi)(shi)(shi)宽禁(jin)代(dai),在(zai)五年之内(nei)宽禁(jin)代(dai)碳化硅也会发展(zhan)平(ping)稳,以(yi)未来(lai)(lai)十年来(lai)(lai)看,增长(zhang)量会非(fei)常大(da)。
今(jin)天这个(ge)节点(dian)上,国内碳化硅和(he)氮化镓刚刚兴起。刚才(cai)(cai)谈的是(shi)行业的现状(zhuang),现在(zai)谈中国的现状(zhuang),因为(wei)比较分散(san),数据也(ye)不好搞,所以(yi)很多(duo)数据是(shi)来自国外(wai)的。这是(shi)2012年的一(yi)个(ge)报(bao)告,从这个(ge)上面结合我刚才(cai)(cai)谈的图,功率器(qi)件的市场基本上是(shi)在(zai)中国,我估计70%的功率器(qi)件在(zai)中国。
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