功率器件5大保护措施详解及技术发展趋势如何

功率器件简介

本文讲功率器件保护措施有哪些？我们先对功率器件做一个简单的介绍。功率半导体是集成电路一个非常重要的组成部分，市场空间有400多亿美元，从大方面讲有200多亿美元是功率IC，还有100多亿是功率器件。手机充电器，手机当中都会有功率器件。功率器件主要的部分，体量比较大的是IGBT。把IGBT、VDMOS做好，就是一个很好的硬件厂商。IGBT模块是双子器件，它的特点是频率低一点，但是能量密度稍微大一点。所以像在新能源汽车，轨道交通应用得更广泛。

功率器件的重要性，我们从下面2个人说的话就能体现，一个是国际能源互联网研究院院长邱宇峰说的，已经知道电网将从钢铁网变成半导体电网，这是一个方面，半导体电网的核心的部件就是IGBT。另外一个重要的应用领域是轨道交通，我们说高铁是中国高端制造的名片，但是它的核心部分就是IGBT模块，类似于手机当中的CPU。还有一个更重要的领域，我们国家强推的新能源汽车，新能源汽车功率器件占整个成本的7%到10%，要到1000美元。

正是因为功率器件在高端行业有核心的应用，像国家电网本来是做电网的，现在自己也整了个公司做功率器件，做IGBT。

功率器件保护措施详解

随着社会的不断进步，技术的不断发展，科技产品也日新月异，产品都需要功率器件，好的功率器件需要更好的设计者来设计，功率器件对电子产品是功不可没的。目前用于电子产品和自动化电子控制设备及功率半导体器件的保护方法有如下几种：

一、检测主电路电流法

该方法是在主电路电源输入端串联接入检测元件(检测电阻、互感器等)，通过检测电路中总电流在检测元件上的电压降或电流大小获得相应电流或电压信号，经过电路放大处理，与保护电路的动作阈值比较，决定保护与否;

该保护方法由于采用了电子技术，和保险丝法相比其灵敏度和反映速度都得到了提高，不过这种方法依然检测的是电路的总电流，而故障功率半导体器件的工作电流只是总电流的几分之一甚至几十分之一，其变化不足以引起保护电路有效反应。

所以该方法总是在故障电流形成之后才有响应，造成检测结果和保护动作的滞后，根本适应不了对功率半导体器件的保护要求。所以该保护方法和保险丝一样，只能在功率半导体器件已经损坏和恶性过流故障发生后起到防止故障进一步扩大的作用。对功率器件的保护仍无能为力。

二、并联式检测功率器件电压法

这种方法就是保护电路与被保护功率器件并联连接，通过检测被保护器件工作时的电压来获得信号，根据电压情况判断电路是否出现故障，保护方法采用就地式保护方式，即通过强行切断被保护功率器件本身的控制信号，迫使其停止工作以实现对其的保护。

由于该方法检测的是电压信号，可以在电路出现异常时即时发现故障，在故障电流还未形成时即进行保护，避免了故障电流对器件的冲击。根据对实际应用电路的测试和长期使用证明，保护动作时被保护功率器件的工作电流由正常值减小到零，不存在大电流冲击，对功率器件的性能寿命无任何影响。所以不怕恶性故障和永久性故障。是一种比较理想的保护方法。

该保护方法还有下列特点：

1、保护电路并联接入，主工作回路中不串接任何元件，电源利用率高，无热源。

2、检测对象是被保护功率器件的工作电压，所以保护电路的输入阻抗高、功耗小，检测精度高。

3、检测的是被保护对象本身的工作状态，保护又直接施加在被保护对象上，因此针对性强，保护及时可靠。

4、在电路正常时，保护电路只起监视功率半导体器件工作情况的作用，不参与更不影响功率半导体器件的工作，当实施保护时只关断故障涉及到的功率器件(当然，也可在关断被保护器件的同时切断单元电路或整个设备的电源供给)，不影响设备其它部分的工作，这点对很多设备非常必要。

该保护电路的不足是：只对被保护器件的工作状态进行定性检测，所以，若用于电压控制型功率器件，只能对负载短路和严重过流故障有理想的保护效果。

三、保险丝法

这是一种传统的保护方法。保险丝常串接在电路的电源输入端用以控制整个电路的总电流。其工作原理是靠电路出现故障后增大的故障电流流过保险丝时导致其发热升温自行熔化，以切断电源供给达到保护目的。保险丝法有实施简单、维护容易、成本低，保护时电源切断彻底等优点，所以被广泛应用在目前所有的电子电路和电子设备中。

不过，由于保险丝中流过的是电路的总电流，单只功率半导体器件中工作电流的变化不足以引起其有效反应;加之保险丝熔化速度慢，只能在功率半导体器件损坏后或电路恶性短路故障发生后故障电流成倍增加之后才会熔断，所以，只能起到防止故障进一步扩大的作用，对功率半导体器件起不到保护作用。

四、检测功率器件工作电流法

这是目前比较常用的功率半导体器件保护方法，对功率半导体器件有一定的保护作用。该方法是在被保护的功率半导体器件工作电流通路中串入检测元件(电阻或电流互感器等)，通过检测被保护器件的工作电流在检测元件上的电流或电压信号，再经电路处理获得故障信号，通过??保险丝或关断电源等方法进行保护。

检测功率器件工作电流法的工作原理和线路结构与检测主电路电流法相同，不同的是检测对象是被保护器件的工作电流，所以灵敏度比检测主电路电流法要高，效果也要好。如果该方法是采用电子器件关断电流通路来实施保护，就能在管子发生过流故障后起到一定保护作用。

不过因该方案仍采用检测电流法，即总是在故障形成、被保护器件受到高电压、大电流的冲击后才能检测出故障信号然后进行保护，仍然造成信号获取滞后。如果被保护器件选用的功率余量小或电路故障严重，被保护器件仍然会立即损坏;若被保护器件功率余量大而且故障程度不严重时器件一般不会损坏;

不过由于故障电流的冲击仍造成被保护器件的性能明显下降、寿命减短，给整机的性能和可靠性埋下隐患。所以该方法对恶性过流、负载短路等故障起初几次有一些保护效果，但性能仍不理想。实际使用证明，器件经过有限几次故障电流的冲击就失效了。

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、由于主电流通路中接有电阻或电流互感器等检测元件，降低了输出电压，使输出功率下降，电源利用率降低，这在采用低电压供电的电路中矛盾更突出。

2、检测电阻发热量大、散热困难，易造成整机温度升高、工作稳定性下降。

3、互感器体积大，使用不便;检测电阻阻值小，要求精度高，导致成本也高。当然，采用其它检测元件同样存在这个问题。

4、保护电路复杂，制作困难;一般都是随机设计、通用性差等。

五、并联式检测工作压降法

由于功率半导体器件本身导通电阻的存在，任何情况的过载过流都会引起其饱和压降或工作压降的增大，即不管半导体器件的工作状态如何，通过其任何大小的电流时器件本身都会有一个对应的工作电压降值;监视和监测功率半导体器件导通时的电压降，根据其电压降的大小即可判断过流过载的情况和程度。

该方法的工作原理和连接方法与并联式功率器件工作状态电压检测法相同，所以也具有并联式检测功率半导体器件工作状态电压法的所有优点;区别是该方法对被保护器件的工作电压进行定量检测，因而对工作状态的测量和故障的判断更准确。

功率器件的技术发展趋势

所有的高压器件，这个技术是电子科大提出的，也因为这项工作获得了中科院的院士资格。这可以写进教科书，当时介绍的时候用了这么一句话，在半导体的历史上，陈先生把这个理论给推翻了，在半导体行业这是第一次。以至于陈先生的工作，正是因为他的奠基性的工作，使得公司在这个行业是非常领先的。

从国内来看，这个结构看起来很简单，实际上有两种，一个是沟槽，一个是多次外延和注入。多次外延占了80%的市场份额，因为它的生产历史比较早，在陈院士提出来以后，他把专利很早提出来了，但是国内实现不了，后来infineon看了专利以后用了几年的时间，1998年就实现了。所以它的市场化份额开始得比较早。

下面是沟槽刻蚀和回填，这就是先挖一个，再填充，这个工艺现在主要是华虹采取这个工艺。主要有两家厂家做，从工艺角度来说，华虹的工艺更好。在很深的沟槽里面填充一个没有缺陷的P型单晶是非常有挑战性的，你可以在市场上看，华虹是非常好。大家有机会看看华虹每个财季的财报都很漂亮，利润很高。再仔细看业务拆分的话，排第一的就是高压超结。

下面是低压的VDMOS，一开始也是平面的，再到普通沟槽，然后到现在最热的SGT，现在是非常热的。实际上每一家的断代都不一样，但都是从平面的PT结构，到最新的PF+RC。从芯片厚度来说，头发丝直径30微米，IGBT60V在五六十微米，所以在8寸上面的精度非常高。应该来说国内和国际有两代到三代的差别，所以目前IGBT落后还是蛮多的。在学术界热的就是宽禁代，在五年之内宽禁代碳化硅也会发展平稳，以未来十年来看，增长量会非常大。

今天这个节点上，国内碳化硅和氮化镓刚刚兴起。刚才谈的是行业的现状，现在谈中国的现状，因为比较分散，数据也不好搞，所以很多数据是来自国外的。这是2012年的一个报告，从这个上面结合我刚才谈的图，功率器件的市场基本上是在中国，我估计70%的功率器件在中国。

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