功率半導體是電力電子的核心：從手機充電器到電動車、太陽能、工業傳動。

一、功率半導體的需求

設計目標（互相衝突）

  1. 高耐壓（V_BR）
  2. 大電流（I_max）
  3. 低導通損耗（R_on 小）
  4. 高速切換（小寄生電容）
  5. 大 SOA（不易燒）
  6. 低成本

不同元件的取捨

元件 耐壓 速度 適合
功率 BJT 中 中 已少用
MOSFET 中（< 1kV） 高 中低壓、高頻
IGBT 高（> 600V） 中 中壓、中頻
Thyristor (SCR) 極高 低 大功率、低頻
GTO 高 中 工業驅動
SiC MOSFET 高 高 新世代電動車
GaN HEMT 中 極高 高頻電源

二、IGBT（絕緣閘極雙極性電晶體）

結構：MOSFET + BJT 的混血兒

       Gate (絕緣)        Emitter (Source)
        │                  │
       ─┼─                ─┼─
        │     N+ Source   │
        ├─────────────────┤
        │  P body         │
        ├─────────────────┤
        │                 │
        │  N drift（耐壓）│
        │                 │
        ├─────────────────┤
        │  P+ injector    │  ← 這層是 IGBT 的關鍵
        ├─────────────────┤
        │  Collector (Drain)

為什麼結合 MOSFET + BJT？

  • MOSFET 的閘極：高輸入阻抗、易驅動
  • BJT 的雙極性導通：低 V_CE(sat)，大電流時優於 MOSFET

工作原理

  1. Gate 加正電壓 → 形成 N 通道（像 NMOS）
  2. 電子流入 N drift 區
  3. P+ injector 注入電洞 → 雙極性導通（少數載子注入）
  4. 等效是「MOSFET 控制 PNP BJT」

V_CE(on) 比 MOSFET 低？

對 1200V 級元件： - IGBT V_CE(sat) ≈ 1.5–2.5 V（接近常數） - 同等級 MOSFET R_DS(on) × I 可能 5–10 V（隨電流線性增加）

→ 大電流時 IGBT 損耗低。 → 小電流時 MOSFET 較好。

IGBT 的缺點

  1. 拖尾電流（tail current）：關閉時 N drift 中累積的少數載子（電洞）需時間排除
  2. 切換速度有限：100 kHz 以下
  3. 無體二極體（需外接 fast recovery diode 並聯）
  4. 閂鎖（latch-up）風險（內含寄生 PNPN）

經典 IGBT 模組

  • 600V/30A 級：IRG4PC50UD（單管 TO-247）
  • 1200V/300A 級：Infineon FF300R12KE3（模組）

IGBT 應用

  1. 馬達驅動（變頻器，VFD）
  2. 太陽能逆變器（中等功率）
  3. 電動車主驅動（部分車款，逐漸被 SiC 取代）
  4. 不斷電系統 UPS
  5. 電磁感應加熱

三、Thyristor / SCR（矽控整流器）

結構：4 層 PNPN

     Anode (A)
      │
     ─┴─
      P
     ─┬─
      N      ─┐
     ─┼─     ├── Gate (G)
      P      ─┘
     ─┬─
      N
     ─┴─
      │
     Cathode (K)

工作原理

可看作「互鎖的 PNP + NPN BJT」：

        A
        │
     ┌──┤PNP
     │  ├──┐
     │  │  │
     │  ├──┤NPN
     │  │  │
   G ┘  │  │
        │  │
        K ←┘

正反饋：PNP 的 Collector 進 NPN 的 Base，NPN 的 Collector 進 PNP 的 Base。

觸發

  1. Gate 給一個正脈衝 → NPN 開始導通 → 觸發 PNP 也導通 → 正反饋鎖定
  2. 即使 Gate 信號移除，仍持續導通（latching）
  3. 只有當 A-K 電流降到「保持電流（Holding Current）」以下才關閉

V-I 特性

   I
   │
   │ 觸發後
   │ ╱
   │╱     順向導通
   │
   │  ── (順向阻塞)
   │
   ┴───────► V
   ─── ─ ─ (反向阻塞，類似二極體)

應用

A. AC 相位控制（調光器、調速器）

每個半週由 Gate 觸發，控制觸發角度 → 控制平均功率：

     正弦波
      _____
     ╱     ╲
    ╱       ╲___
   ╱            ╲___╱  ← 觸發角延遲
   ↑
   觸發

B. 大功率整流

工業整流（焊接機、電解、直流馬達）。

C. 過壓保護（Crowbar）

當電壓異常升高時，觸發 SCR 短路電源 → 燒保險絲保護下游 IC。

TRIAC（雙向矽控整流器）

兩個反向並聯的 SCR：可雙向控制 AC。 - 應用：家用調光器、馬達調速器

DIAC

雙向觸發二極體，常與 TRIAC 搭配做觸發電路。

GTO（Gate Turn-Off）

可由 Gate 主動關閉的 SCR。 用於：大功率變頻器（漸被 IGBT 取代）。

IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）

GTO 改良，更快、更可靠。 用於：HVDC 輸電、大型工業驅動。

四、SiC（碳化矽）MOSFET

為什麼 SiC 革命性？

屬性 Si 4H-SiC
E_g (eV) 1.12 3.26
E_crit (V/cm) 3 × 10⁵ 3 × 10⁶
熱導率 (W/cm·K) 1.5 4.9
載子飽和速度 1 × 10⁷ cm/s 2 × 10⁷ cm/s

→ 同耐壓下 SiC 的漂移區厚度只需 Si 的 1/10 → 同 R_DS(on) 下 SiC 元件面積小、容量大 → 高溫工作（200°C）、高頻切換

SiC MOSFET 應用

  1. 電動車主逆變器（特斯拉 Model 3 開創）
  2. 快充樁（350 kW DC 快充）
  3. 太陽能逆變器（更高效率）
  4. 資料中心電源（伺服器 PSU）
  5. 離岸風電（HVDC）

SiC 二極體

  • 蕭基結構，無反向恢復
  • 用於 IGBT 的並聯 freewheel
  • 大幅改善整體效率

SiC 的缺點

  • 價格較高（仍在下降）
  • V_TH 較大（4–5V）需專用驅動 IC
  • 製造良率仍是挑戰
  • 6 寸到 8 寸晶圓轉換中

五、GaN（氮化鎵）HEMT

HEMT（High Electron Mobility Transistor）

不像 MOSFET 那樣有反轉層，而是利用「二維電子氣」（2DEG）：

    ┌──Gate──┐
    │        │
   ─┴────────┴─
    AlGaN（薄）
   ──────────── ← 2DEG（二維電子氣）
    GaN（厚）
   ────────────
    Si 基板（GaN-on-Si）

特性

  • 載子遷移率高（2D 限制）
  • 切換速度極快（GHz 級）
  • 低 R_DS(on) × Q_g（FOM 優異）
  • 耐壓高（650V 級主流）

GaN 應用

  1. 手機快充（GaN 充電器體積小且強）
  2. 筆電變壓器（USB-C PD 100W+）
  3. 資料中心電源
  4. 無線充電（接收端整流）
  5. D 類音響（高效率高保真）

經典 GaN IC

  • GaN Systems：GS61008P
  • EPC：EPC2050
  • TI：LMG3525（整合 GaN + 驅動）
  • Navitas：NV6125（半橋 + 驅動 + 保護）

六、功率半導體封裝

通孔封裝

  • TO-220：常見中功率（< 100W）
  • TO-247：中大功率（100–500W）
  • TO-264：大功率（> 500W）

SMD 封裝

  • DPAK / D2PAK：表面貼裝中功率
  • PowerPAK：低 R_th
  • Power QFN：超薄高功率

模組封裝

  • 半橋模組：兩顆內部互連
  • 全橋模組：4 顆 + freewheel diode
  • 6-pack：三相逆變器（馬達驅動）
  • 隔離模組：基板隔離（汽車、工業）

散熱基板

  • DBC（Direct Bonded Copper）：陶瓷 + 銅
  • AMB（Active Metal Brazed）：類似但更可靠
  • AlN/Al₂O₃：陶瓷材料

七、功率半導體驅動

Gate Driver IC

驅動功率元件需要： - 大電流（瞬間 A 級） - 高速（ns 級） - 隔離（高壓側）

隔離方式

方式 優點 缺點
光耦（Opto） 成熟、便宜 慢、老化
變壓器隔離 高速 體積大
電容隔離（如 SiC 友善 IC） 快、小 共模抗擾度
數位隔離器（MagIso） 多通道 較貴

經典隔離驅動 IC

  • HCPL-3120：經典光耦驅動
  • UCC21520：雙通道 SiC 友善
  • SI8261：SiC/GaN 高速驅動
  • 1ED020I12：Infineon 1200V IGBT 驅動

八、保護電路

短路保護（Desaturation）

監測 V_CE，飽和時電壓正常（< 2V）；短路時電壓會升高 → 觸發保護快速關斷。

過電流保護

電流取樣（shunt 或 hall）超過閾值即關斷。

過溫保護

NTC 溫度感測 + 比較器，超過閾值關斷或降速。

雪崩能量處理

某些 MOSFET 標明 E_AS（雪崩能量），可吸收一定能量不損壞。 但盡量設計避免進入雪崩區。

九、本章總結

✅ 您應該理解：

  • [x] 各種功率半導體的選用情境
  • [x] IGBT 結構與工作原理（MOSFET + BJT 混血）
  • [x] Thyristor 的閂鎖特性
  • [x] SiC MOSFET 的優勢與應用
  • [x] GaN HEMT 的工作原理
  • [x] 功率半導體封裝與散熱
  • [x] Gate Driver 的角色與隔離方式
  • [x] 保護電路類型

自我檢測

  1. 為什麼大電流時 IGBT 損耗比 MOSFET 低？
  2. SCR 一旦觸發後如何關閉？
  3. SiC MOSFET 在 1200V 級的優勢有哪些？
  4. GaN HEMT 的 2DEG 是什麼？
  5. 為什麼高壓側 MOSFET 驅動需要隔離？

解答

  1. IGBT 是雙極性導通（少數載子注入），V_CE(sat) 接近常數；MOSFET 是單極性，導通電壓隨電流線性增加
  2. A-K 電流必須降到「保持電流」以下（如 AC 過零點），或使用 GTO 主動關閉
  3. 漂移區更薄、R_DS(on) 更低、開關速度更快、可耐 200°C 高溫
  4. AlGaN/GaN 異質接面下的二維電子氣，遷移率極高，無需傳統 MOSFET 的反轉層
  5. 高壓側 Source 電位浮動（如 400V），驅動信號參考點是地，需要電位轉換與電氣隔離

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07-閘流體與SCR.md — 閘流體家族專章。