功率器件5大保護(hù)措施詳解及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)如何

功率器件簡(jiǎn)介

本文講功率器件保護(hù)措施有哪些？我們先對(duì)功率器件做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。功率半導(dǎo)體是集成電路一個(gè)非常重要的組成部分，市場(chǎng)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(jī)充電器，手機(jī)當(dāng)中都會(huì)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(gè)很好的硬件廠商。IGBT模塊是雙子器件，它的特點(diǎn)是頻率低一點(diǎn)，但是能量密度稍微大一點(diǎn)。所以像在新能源汽車(chē)，軌道交通應(yīng)用得更廣泛。

功率器件的重要性，我們從下面2個(gè)人說(shuō)的話就能體現(xiàn)，一個(gè)是國(guó)際能源互聯(lián)網(wǎng)研究院院長(zhǎng)邱宇峰說(shuō)的，已經(jīng)知道電網(wǎng)將從鋼鐵網(wǎng)變成半導(dǎo)體電網(wǎng)，這是一個(gè)方面，半導(dǎo)體電網(wǎng)的核心的部件就是IGBT。另外一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域是軌道交通，我們說(shuō)高鐵是中國(guó)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(jī)當(dāng)中的CPU。還有一個(gè)更重要的領(lǐng)域，我們國(guó)家強(qiáng)推的新能源汽車(chē)，新能源汽車(chē)功率器件占整個(gè)成本的7%到10%，要到1000美元。

正是因?yàn)楣β势骷诟叨诵袠I(yè)有核心的應(yīng)用，像國(guó)家電網(wǎng)本來(lái)是做電網(wǎng)的，現(xiàn)在自己也整了個(gè)公司做功率器件，做IGBT。

功率器件保護(hù)措施詳解

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，技術(shù)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(shè)計(jì)者來(lái)設(shè)計(jì)，功率器件對(duì)電子產(chǎn)品是功不可沒(méi)的。目前用于電子產(chǎn)品和自動(dòng)化電子控制設(shè)備及功率半導(dǎo)體器件的保護(hù)方法有如下幾種：

一、檢測(cè)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(cè)元件(檢測(cè)電阻、互感器等)，通過(guò)檢測(cè)電路中總電流在檢測(cè)元件上的電壓降或電流大小獲得相應(yīng)電流或電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)電路放大處理，與保護(hù)電路的動(dòng)作閾值比較，決定保護(hù)與否;

該保護(hù)方法由于采用了電子技術(shù)，和保險(xiǎn)絲法相比其靈敏度和反映速度都得到了提高，不過(guò)這種方法依然檢測(cè)的是電路的總電流，而故障功率半導(dǎo)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(hù)電路有效反應(yīng)。

所以該方法總是在故障電流形成之后才有響應(yīng)，造成檢測(cè)結(jié)果和保護(hù)動(dòng)作的滯后，根本適應(yīng)不了對(duì)功率半導(dǎo)體器件的保護(hù)要求。所以該保護(hù)方法和保險(xiǎn)絲一樣，只能在功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)損壞和惡性過(guò)流故障發(fā)生后起到防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大的作用。對(duì)功率器件的保護(hù)仍無(wú)能為力。

二、并聯(lián)式檢測(cè)功率器件電壓法

這種方法就是保護(hù)電路與被保護(hù)功率器件并聯(lián)連接，通過(guò)檢測(cè)被保護(hù)器件工作時(shí)的電壓來(lái)獲得信號(hào)，根據(jù)電壓情況判斷電路是否出現(xiàn)故障，保護(hù)方法采用就地式保護(hù)方式，即通過(guò)強(qiáng)行切斷被保護(hù)功率器件本身的控制信號(hào)，迫使其停止工作以實(shí)現(xiàn)對(duì)其的保護(hù)。

由于該方法檢測(cè)的是電壓信號(hào)，可以在電路出現(xiàn)異常時(shí)即時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，在故障電流還未形成時(shí)即進(jìn)行保護(hù)，避免了故障電流對(duì)器件的沖擊。根據(jù)對(duì)實(shí)際應(yīng)用電路的測(cè)試和長(zhǎng)期使用證明，保護(hù)動(dòng)作時(shí)被保護(hù)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(duì)功率器件的性能壽命無(wú)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(hù)方法。

該保護(hù)方法還有下列特點(diǎn)：

1、保護(hù)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(wú)熱源。

2、檢測(cè)對(duì)象是被保護(hù)功率器件的工作電壓，所以保護(hù)電路的輸入阻抗高、功耗小，檢測(cè)精度高。

3、檢測(cè)的是被保護(hù)對(duì)象本身的工作狀態(tài)，保護(hù)又直接施加在被保護(hù)對(duì)象上，因此針對(duì)性強(qiáng)，保護(hù)及時(shí)可靠。

4、在電路正常時(shí)，保護(hù)電路只起監(jiān)視功率半導(dǎo)體器件工作情況的作用，不參與更不影響功率半導(dǎo)體器件的工作，當(dāng)實(shí)施保護(hù)時(shí)只關(guān)斷故障涉及到的功率器件(當(dāng)然，也可在關(guān)斷被保護(hù)器件的同時(shí)切斷單元電路或整個(gè)設(shè)備的電源供給)，不影響設(shè)備其它部分的工作，這點(diǎn)對(duì)很多設(shè)備非常必要。

該保護(hù)電路的不足是：只對(duì)被保護(hù)器件的工作狀態(tài)進(jìn)行定性檢測(cè)，所以，若用于電壓控制型功率器件，只能對(duì)負(fù)載短路和嚴(yán)重過(guò)流故障有理想的保護(hù)效果。

三、保險(xiǎn)絲法

這是一種傳統(tǒng)的保護(hù)方法。保險(xiǎn)絲常串接在電路的電源輸入端用以控制整個(gè)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(guò)保險(xiǎn)絲時(shí)導(dǎo)致其發(fā)熱升溫自行熔化，以切斷電源供給達(dá)到保護(hù)目的。保險(xiǎn)絲法有實(shí)施簡(jiǎn)單、維護(hù)容易、成本低，保護(hù)時(shí)電源切斷徹底等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用在目前所有的電子電路和電子設(shè)備中。

不過(guò)，由于保險(xiǎn)絲中流過(guò)的是電路的總電流，單只功率半導(dǎo)體器件中工作電流的變化不足以引起其有效反應(yīng);加之保險(xiǎn)絲熔化速度慢，只能在功率半導(dǎo)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(huì)熔斷，所以，只能起到防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大的作用，對(duì)功率半導(dǎo)體器件起不到保護(hù)作用。

四、檢測(cè)功率器件工作電流法

這是目前比較常用的功率半導(dǎo)體器件保護(hù)方法，對(duì)功率半導(dǎo)體器件有一定的保護(hù)作用。該方法是在被保護(hù)的功率半導(dǎo)體器件工作電流通路中串入檢測(cè)元件(電阻或電流互感器等)，通過(guò)檢測(cè)被保護(hù)器件的工作電流在檢測(cè)元件上的電流或電壓信號(hào)，再經(jīng)電路處理獲得故障信號(hào)，通過(guò)??保險(xiǎn)絲或關(guān)斷電源等方法進(jìn)行保護(hù)。

檢測(cè)功率器件工作電流法的工作原理和線路結(jié)構(gòu)與檢測(cè)主電路電流法相同，不同的是檢測(cè)對(duì)象是被保護(hù)器件的工作電流，所以靈敏度比檢測(cè)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(guān)斷電流通路來(lái)實(shí)施保護(hù)，就能在管子發(fā)生過(guò)流故障后起到一定保護(hù)作用。

不過(guò)因該方案仍采用檢測(cè)電流法，即總是在故障形成、被保護(hù)器件受到高電壓、大電流的沖擊后才能檢測(cè)出故障信號(hào)然后進(jìn)行保護(hù)，仍然造成信號(hào)獲取滯后。如果被保護(hù)器件選用的功率余量小或電路故障嚴(yán)重，被保護(hù)器件仍然會(huì)立即損壞;若被保護(hù)器件功率余量大而且故障程度不嚴(yán)重時(shí)器件一般不會(huì)損壞;

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

檢測(cè)被保護(hù)器件工作電流法除檢測(cè)和保護(hù)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(cè)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(cè)電阻發(fā)熱量大、散熱困難，易造成整機(jī)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(cè)電阻阻值小，要求精度高，導(dǎo)致成本也高。當(dāng)然，采用其它檢測(cè)元件同樣存在這個(gè)問(wèn)題。

4、保護(hù)電路復(fù)雜，制作困難;一般都是隨機(jī)設(shè)計(jì)、通用性差等。

五、并聯(lián)式檢測(cè)工作壓降法

由于功率半導(dǎo)體器件本身導(dǎo)通電阻的存在，任何情況的過(guò)載過(guò)流都會(huì)引起其飽和壓降或工作壓降的增大，即不管半導(dǎo)體器件的工作狀態(tài)如何，通過(guò)其任何大小的電流時(shí)器件本身都會(huì)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的工作電壓降值;監(jiān)視和監(jiān)測(cè)功率半導(dǎo)體器件導(dǎo)通時(shí)的電壓降，根據(jù)其電壓降的大小即可判斷過(guò)流過(guò)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(cè)法相同，所以也具有并聯(lián)式檢測(cè)功率半導(dǎo)體器件工作狀態(tài)電壓法的所有優(yōu)點(diǎn);區(qū)別是該方法對(duì)被保護(hù)器件的工作電壓進(jìn)行定量檢測(cè)，因而對(duì)工作狀態(tài)的測(cè)量和故障的判斷更準(zhǔn)確。

功率器件的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

所有的高壓器件，這個(gè)技術(shù)是電子科大提出的，也因?yàn)檫@項(xiàng)工作獲得了中科院的院士資格。這可以寫(xiě)進(jìn)教科書(shū)，當(dāng)時(shí)介紹的時(shí)候用了這么一句話，在半導(dǎo)體的歷史上，陳先生把這個(gè)理論給推翻了，在半導(dǎo)體行業(yè)這是第一次。以至于陳先生的工作，正是因?yàn)樗牡旎缘墓ぷ?，使得公司在這個(gè)行業(yè)是非常領(lǐng)先的。

從國(guó)內(nèi)來(lái)看，這個(gè)結(jié)構(gòu)看起來(lái)很簡(jiǎn)單，實(shí)際上有兩種，一個(gè)是溝槽，一個(gè)是多次外延和注入。多次外延占了80%的市場(chǎng)份額，因?yàn)樗纳a(chǎn)歷史比較早，在陳院士提出來(lái)以后，他把專利很早提出來(lái)了，但是國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)不了，后來(lái)infineon看了專利以后用了幾年的時(shí)間，1998年就實(shí)現(xiàn)了。所以它的市場(chǎng)化份額開(kāi)始得比較早。

下面是溝槽刻蝕和回填，這就是先挖一個(gè)，再填充，這個(gè)工藝現(xiàn)在主要是華虹采取這個(gè)工藝。主要有兩家廠家做，從工藝角度來(lái)說(shuō)，華虹的工藝更好。在很深的溝槽里面填充一個(gè)沒(méi)有缺陷的P型單晶是非常有挑戰(zhàn)性的，你可以在市場(chǎng)上看，華虹是非常好。大家有機(jī)會(huì)看看華虹每個(gè)財(cái)季的財(cái)報(bào)都很漂亮，利潤(rùn)很高。再仔細(xì)看業(yè)務(wù)拆分的話，排第一的就是高壓超結(jié)。

下面是低壓的VDMOS，一開(kāi)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(shí)際上每一家的斷代都不一樣，但都是從平面的PT結(jié)構(gòu)，到最新的PF+RC。從芯片厚度來(lái)說(shuō)，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(yīng)該來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)和國(guó)際有兩代到三代的差別，所以目前IGBT落后還是蠻多的。在學(xué)術(shù)界熱的就是寬禁代，在五年之內(nèi)寬禁代碳化硅也會(huì)發(fā)展平穩(wěn)，以未來(lái)十年來(lái)看，增長(zhǎng)量會(huì)非常大。

今天這個(gè)節(jié)點(diǎn)上，國(guó)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(guó)的現(xiàn)狀，因?yàn)楸容^分散，數(shù)據(jù)也不好搞，所以很多數(shù)據(jù)是來(lái)自國(guó)外的。這是2012年的一個(gè)報(bào)告，從這個(gè)上面結(jié)合我剛才談的圖，功率器件的市場(chǎng)基本上是在中國(guó)，我估計(jì)70%的功率器件在中國(guó)。

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