第一篇：電力電子技術前輩張為佐先生文章摘編(之一)

電力電子技術前輩張為佐先生文章摘編(之一)

張為佐先生是我國著名的電力電子技術和功率半導體專家，長期從事功率半導體器件的研究工作，是我國功率半導體器件的創(chuàng)始人之一。1958年張為佐先生來到了當時的機械部北京電器科學研究院六室，承擔了國內最早的電力電子器件的研制。1965年底，北京電器科學研究院六室搬遷到西安，成立機械工業(yè)部西安整流器研究所(后改名為西安電力電子技術研究所)。張為佐等一批具有獻身精神的工程技術人員，在條件更加艱難的環(huán)境中依然不懈追求，成為中國電力電子技術研究核心力量。到“文化大革命”前，中國電力電子器件的整體性能已接近國際水平，有些應用技術甚至走在美國前面。70年代后期，西安成為中國電力電子技術研究中心和產業(yè)基地。是國家電力電子產品質量監(jiān)督檢驗中心、中國電器工業(yè)協會電力電子專業(yè)協會、中國電工技術學會電力電子學會、全國電力電子學標準化技術委員會等秘書機構所在地。十年**開始后逐漸落后于西方，到了80年代中期，在功率半導體器件制造方面，中國與國際上的差距被拉大了。

張為佐性情開朗，十年**期間他克服種種困難堅持技術理論研究，繼續(xù)跟蹤國際電力電子技術發(fā)展動態(tài)。1979年，張先生撰寫《略論電力電子學》一文，被業(yè)內視為中國第一篇論述電力電子學的文章。張為佐以此文為理論基礎，積極倡導成立中國電力電子的行業(yè)組織。1980年該組織成立，第二年正式定名為中國電工技術學會電力電子學會，張為佐出任秘書長，為學會發(fā)展做了大量的工作。

國際電力電子業(yè)在80年代進入新的里程。美國IR公司在1980年發(fā)明了MOS型器件，并在1986年建成世界上第一個功率MOSFET生產廠，這標志著電力電子功率集成電路已經從分立器件走向了集成化的發(fā)展之路。張為佐對國際領先技術一直追蹤研究，并提出自己的一些獨特見解。1986年IR公司邀請張為佐赴美從事研究工作，同時，張先生積極為國內機構與IR公司之間架起溝通的橋梁。加速了國內對領先技術的消化和掌握。

進入90年代后，電力電子技術與微電子工藝技術的相互滲透，智能化的功率模塊和功率集成電路，將成為業(yè)內的研究對象和發(fā)展重點。張為佐又是率先對此電力電子技術作出新的定義，撰寫大量文章，參加各種有關專業(yè)研討會，向業(yè)內廣泛傳播這些技術，受到業(yè)內的極力推崇和高度評價。

張為佐先生于2007年7月26日不幸病逝。

張為佐先生長期從事功率半導體器件的研究工作，發(fā)表了大量文章。因篇幅有限，本摘錄只涉及張先生文章很少一部分，但反映了他對電力電子技術若干主要觀點。我們希望這些文章不僅對功率半導體器件設計制造有益，也希望對從事電力電子領域工作的其他人員也有幫助，為此在摘編時特別給予關注，以便讓這部分人員能順利理解這些文章的觀點。

功率半導體器件鳥瞰

當代功率半導體器件大致可以分成三類。一是傳統的各類晶閘管，二是近二十年來發(fā)展起來的功率MOSFET及其相關器件。三是由上述兩類器件發(fā)展起來的特大功率器件。

功率半導體器件的歷史可以追溯到早期的半導體整流元件，甚至遠溯到四十年代的氧化亞銅和硒整流器。但促使一門新學科--電力電子學誕生的卻需歸功于晶閘管(thyristor)這個大家族，特別是具有較強逆變能力的快速和可關斷晶閘管以及大功率雙極性晶體管。而最大的變化是：功率 MOSFET從1979年誕生后，逐步改變了整個功率半導體器件的面貌，從而使電力電子學的范圍跨入了過去未曾涉足的信息領域。

六十到七十年代是晶閘管統治功率器件的全盛時代，到了八十年代，晶閘管的發(fā)展已完全成熟。而九十年代，作為中小功率用的逆變器件，逐步讓位于MOSFET 或IGBT。

整流元件是始終不會衰退的器件。只是它們的性能在不斷改進。如近年來仍在不斷發(fā)展的快恢復二極管和快恢復外延二極管。主要是希望做到恢復又快又軟，少起振蕩。

晶閘管及整流元件

六十到七十年代是晶閘管統治功率器件的全盛時代，到了八十年代，晶閘管的發(fā)展已完全成熟。而九十年代，作為中小功率用的逆變器件，逐步讓位于MOSFET 或IGBT。在許多傳統的相控整流領域，開始逐步被開關整流所取代。但在特大功率范疇，雙極性器件仍明顯占主導地位。

為對比MOS器件的發(fā)展，現在來回憶一下晶閘管在技術方面的發(fā)展過程?？梢钥吹?，對器件的理解和要求是一個從靜態(tài)到動態(tài)性能逐步認識和改善的過程。

一.提高發(fā)射極注入效率及控制少子壽命，使晶閘管的電流容量有了迅速提高。雙極性器件的大注入效應使其在取得大電流能力方面，顯然優(yōu)于單極型器件。這也是其后IGBT發(fā)展的基礎。IGBT中的B字，即代表雙極性的意思。

二.改善表面造型及表面保護，使器件有較高的耐壓和更好的可靠性。當時已有平面型的保護環(huán)技術(后來稱為終端技術)，但在高壓領域內當時并未采用。其后采用了特殊輻照摻雜的區(qū)熔硅單晶，使高壓器件有了更好的成品率。IGBT在第三到第五代的轉變中，也采用了區(qū)熔硅單晶。

三.引入短路發(fā)射極原理，使發(fā)射極下基區(qū)的電阻(簡稱橫向電阻)為最小。以限制發(fā)射極在位移電流作用下產生注入，從而提高了器件的電壓上升率(dv/dt)。這個原理也被MOSFET用來抑制寄生雙極性晶體管起作用。

四.引入放大門極原理，或稱場引入原理。即以陽極電場引入門極周圍，以迫使導 通區(qū)擴展，從而改善器件的電流上升率(di/dt)。

五.發(fā)展快速晶閘管(Inverter SCR)以取得較高的頻率并用于逆變電路。在制造

工藝上采用了降低少子壽命的方法，以降低關斷時間(tq)，從而降低開關損耗。同時也

利用上述第三、四兩條原理，以更好的動態(tài)特性以符合快速開關要求。有趣的是降低少子壽命的方法以后甚至用在不牽涉少子的多子型器件中，這是因為必須控制寄生的本征二極管的關斷特性。

六.發(fā)展更為“安全”使用的晶閘管。換言之，使器件能經受一定的電壓電流尖刺，成為更可靠的晶閘管。如近年來發(fā)展的SAFEIR。

七.發(fā)展雙向晶閘管(triac)以更適合于中小功率的交流電路。各類雙向器件的設想是根據應用的需要而產生的，但真正實現的恐怕只剩下triac。這也許是因為制造雙向器件增加了復雜性，卻又可以用單向器件去代替它。從技術而言，是更好地控制各個發(fā)射極下的基區(qū)電阻。利用橫向電阻使器件具有四象限的導通能力。這和提高電壓上升率的措施剛好相反。

八.發(fā)展可關斷晶閘管(GTO)以使晶閘管成為可用門極自關斷的器件。從技術而言，是將晶閘管內的兩個晶體管的增益做得盡可能小。即降低注入效率(薄發(fā)射極或逆導)和降低少子壽命。從而使其易于關斷。中小功率的利用PNPN原理的可關斷器件始終未能占領市場，這可能是因為當“閘門”打開后，要切斷并不如一般的晶體管這么容易或是在制造成本上并不合算。

九.發(fā)展塑封包裝或模塊，使器件進一步減小體積。甚至包括表面貼裝型的塑封晶閘管(SMALLIR)。為此，方片晶閘管有很大發(fā)展。也有采用平面型場終端技術來代替?zhèn)鹘y的挖槽加玻璃鈍化技術。

十.整流元件是始終不會衰退的器件。只是它們的性能在不斷改進。如近年來仍在不斷發(fā)展的快恢復二極管和快恢復外延二極管

。主要是希望做到恢復又快又軟，少起振蕩。(QUIETIR)

特大功率器件

它是從傳統晶閘管發(fā)展起來的。但由于MOS型器件的出現，它又取得了新的思路和發(fā)展的途徑。簡略來說，它們包括：

一.SCR：晶閘管的容量仍在繼續(xù)擴大，現在的商品已有了采用五英寸硅片的單個高壓器件。其電壓已達七八千伏。

二.GTO：在自關斷大功率半導體器件方面，現在正在向三個方面發(fā)展，首先是傳統可關斷晶閘管(GTO)的發(fā)展，其商品容量已達6000伏3000安。

三.IGBT：由MOSFET發(fā)展起來的IGBT自然是另一種自關斷器件，大功率器件制造廠

正在迅速增大IGBT容量，有模塊型，也有傳統的大餅型。其最高電壓已能達4500 伏，電流可為1800安。

四.IGCT：這是一種特殊結構的GTO(如透明陽極，即陽極少子注入率極低的GTO)和特殊的外圍MOS關斷電路組合在一起的器件。由于其門極關斷電路的感抗特低，所以可以瞬時流過極大的關斷電流去關斷GTO。目前電壓可達4500到6000伏，電流可達250-4000安。上述三種自關斷器件在工藝上都有相互借鑒之處。當然在應用中也各有其適用的方向。

這些大功率器件對我國的電力系統，高壓直流輸電，大電網聯網，鐵路、地鐵、輕軌車牽引等方面，都具有關鍵意義。

最大的變化是：功率 MOSFET從1979年誕生后，逐步改變了整個功率半導體器件的面貌，從而使電力電子學的范圍跨入了過去未曾涉足的信息領域。

功率半導體器件發(fā)展的三個階段

功率半導體器件的發(fā)展，大致可分為三個階段。第一階段是六十到七十年代，那時各種類型的晶閘管和大功率達林頓晶體管有很大的發(fā)展，或可稱為是雙極性的年代。其服務對象是以工業(yè)應用為主，包括電力系統，機車牽引等。第二階段是八十到九十年代，由于功率MOSFET的興起，使電力電子步入了一個新的領域。為近代蓬勃發(fā)展的4C產業(yè)：即Communication，Computer，Consumer，Car(通信，電腦，消費電器，汽車)提供了新的活力。二十一世紀前后，功率半導體器件的發(fā)展又進入了第三階段，即和集成電路結合愈來愈緊密的階段。當然，這里首先需要著重說明的是：當功率半導體器件不斷發(fā)展時，前一階段的主導產品并未退出歷史舞臺。例如晶閘管至今仍是一種重要產品。我國近年來先后引進超大功率晶閘管，光控晶閘管技術，為我國重大發(fā)電輸電等項目，提供了關鍵器件。近來又在考慮引入IGCT技術。我國在這方面應該說已逐步走向世界前列。從美國來看，大功率晶閘管的生產已愈來愈少，說明兩國的經濟發(fā)展歷程并不完全相同。功率半導體器件在兩個方向上發(fā)展。左側是雙極性方向，正向著超大功率及集成化方向發(fā)展。右側是單極性方向，它正和集成電路建立了愈來愈密切的不可分割的關系。

功率半導體和微電子器件

一.按傳統功率半導體的方向，即希望器件能有較高的電壓，但仍有較低的內阻或壓降。最典型的如絕緣柵雙極性晶體管IGBT，它的結構和MOSFET十分相似。它具有MOS器件柵極絕緣和快速開關的能力。但其功率額定值類同于晶閘管。所以被原來做電力電子技術人員賞識為功率半導體器件的新平臺。從IGBT的芯片來說，更新換代的速度也很快，如IR的第五代采用區(qū)熔硅材料的非穿通結構(NPT)，因其有更強的耐用度(ruggedness)而有利于較高壓的工業(yè)應用。近年來在此基礎上又發(fā)展了場終止(Field Stop)結構，使IGBT芯片可進一步減薄，例如做1200伏的FS IGBT只要用120微米厚度的硅片，從而又進一步降低了壓降和動態(tài)損耗。IGBT實際上也有三個方向，1)做成塑封器件，它被大量用于家電的發(fā)展。2)做成模塊形式，或者加上保護電路，觸發(fā)電路成為智能功率模塊(IPM)，這在空調設備中用得很多。近年來，IR公司正在發(fā)展一種稱為iNTERO系列的模塊。所謂intero，是意大利文，相當于英文中的entire，也就是全部的意思。它包含了一整套從較簡易到較復雜的各種模塊。如從僅含功率器件的主回路的功率集成模塊PIM/BBI(Power Integrated Module/Bridge，Brake，Inverter)開始，發(fā)展到智能功率模塊IPM，到I2PM(內表面絕緣的智能功率模塊)，一直到最新的程控絕緣智能功率模塊PI-IPM(Programmable Isolated-IPM)。在PI-IPM中又分為兩種類型，即已寫入軟件的或尚未寫入軟件等兩種。另外正在發(fā)展另一種簡易型的直接插入式的模塊，稱為

“Plug&Drive”，可用于較小功率的空調和其他家電。3)在特大功率方面，IGBT也已躋身為一重要成員，例如做到6500伏的IGBT，可用來代替?zhèn)鹘y的GTO。在這方面，一些歐洲及日本的公司都有較大的發(fā)展。

二.MOSFET的更為主導的方向是向極低內阻等方向發(fā)展。最典型的就是在電腦中的應用。為達到這種性能，它要求每個MOSFET由更多更小的MOSFET原胞組成。這就要求其工藝精度必須向亞微米方向發(fā)展。

綜上所述，功率半導體器件這些年來，不斷地發(fā)生了很大的變化。所以不能再以固定的眼光去看待功率半導體器件的發(fā)展。例如不要簡單地把功率半導體器件和可控硅畫等號，或只和分立器件畫等號。也不要把功率半導體和微電子器件人為地分離開來，似乎半導體中只有微電子。這些都會妨礙功率半導體器件的發(fā)展，長期來說也會妨礙微電子器件的發(fā)展。在發(fā)展戰(zhàn)略上，要避免把功率半導體器件列為僅需簡陋工藝就可以完成的低技術產品。而把優(yōu)惠政策只提供給集成電路行業(yè)。我國至今沒有很好地發(fā)展現代功率半導體器件，缺乏對現代功率半導體器件的全面了解恐怕是一個因素。在信息化帶動工業(yè)化的浪潮中，必須讓不同的半導體器件都有一個均衡的發(fā)展。

關鍵詞：電力電子

整流器 IGBT 晶閘管