智能功率集成电路中功率半导体器件的探讨

刘剑

摘要：随着经济社会蓬勃发展，我国电力电子领域也获得了极大的发展机遇，智能功率集成电路及综合控制技术的进步，提高了电力技术在各行各业的应用效率，加之功率半导体器件的结合使用，增强了智能功率集成电路的性能，降低其运行条件，进一步起到节约生产成本、实现规模发展的作用。基于此，本文从功率半导体器件与智能功率集成电路概述，阐述了智能功率集成电路中功率半导体器件的实际应用，以期为我国后续电力技术的创新升级打下坚实基础。

关键词：智能功率集成电路；功率半导体器件；探讨

引言：功率半导体器件作为一类高端电能转化装置，可保证电能转化工作的智能性、顺畅性、高效性，有效改善现有智能功率集成电路的工作性能，使其可适应不同条件及状况下的工作需要，进一步达到降本增效的目的。由此，在全新的行业发展背景下，将功率半导体器件与智能功率集成电路结合使用已是大势所趋，需要引起相关电力企业及研究人员的高度重视。

一、功率半导体器件与智能功率集成电路概述

（一）功率半导体器件

功率半导体器件，即电力电子器件，其主要使用功能就是对各电力电子设备电能及电路的变换情况进行控制，可与IC技术、功率变换技术共同组成电力电子技术体系，在一定程度上可引领当代电力电子领域的发展。利用半导体自身理化性质可使得功率半导体器件在整个装置中起到类似开关的作用。自20世纪50年代GE公司推出第一款工业用普通晶闸管开始，经过几十年的创新发展，功率半导体器件逐渐朝着高效率、低能耗、小体积的方向进步，在变流装置中应用广泛，并逐渐研发出如非对称晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等多种类型的闸管派生器件。为确保功率半导体器件可在电力电子装置中充分发挥类似开关的管控作用，需要保证其具有极高的工作稳定性及灵敏的状态转换能力，同时也需要保证在设备运行期间产生尽可能小的电阻，避免在电流经过功率半导体器件时产生较大的能量损耗；在设备处于关闭状态时，则应尽量保证功率半导体器件与绝缘体的性质相近，防止其出现高压电击穿现象，影响后续的正常使用。

（二）智能功率集成电路

为确保电子系统可得到全方位保护，当前大部分电力电子装置常引进大量的电气及线路保护装置，其主要工作机理是利用并联的方式将各保护装置的线路状态处理模块统一连接起来，并进行集中控制。在电气设备中，可利用检测线路保护装置接入能源的方法，判断其电流类型及大小是否满足装置的实际使用需要，并在预先设定好的线路状态中连接高压或低压等功能模块及处理模块线路，以此保证电气设备可得到有效的保护。但考虑到该装置中需要使用大量的芯片，存在一定的重复性，因此将极大提高装置的设计成本，造成资金的浪费。若是将电力电子装置中的所有功能模块统一集成在同一块芯片中，使其可独立对整个系统的电力供应状况进行系统处理，则单片式功率集成电路应运而生，不仅可极大提高芯片设计先进性，同时也使其满足电力电子技术现代化、智能化发展需要，有效解决现有电力电子智能化技术难题，由此，将大规模芯片利用集成方式进行整合的技术也可被称为智能功率集成电路，即SPIC。

从实际情况来看，智能功率集成电路中包含了所有高压及低压器件，可将原有电力电子装置模块中冗余的部分进行适当删减，极大提高了电路运行稳定性，同时也有效避免在高频工作状态下不同模块间相互影响导致的线路破坏问题。同时也可在芯片中集成部分保护电路，进一步达到降低成本、提高芯片运行功效的目的[1]。

二、功率半导体器件在智能功率集成电路中的具体应用

（一）功率半导体器件制作工艺在智能功率集成电路中的应用

从制作工作的角度来看，微电子器件与功率器件间存在一定的相似性，同时功率半导体器件的封装技术也满足智能功率集成电路发展要求。以MOS型器件通态电阻技术工艺为例，当前该技术的精度已逐渐发展到亚微米级别，在一定程度上与智能功率集成电路的发展目标相契合，而其所使用的像倒置芯片、球栅阵列、多芯片模块等封装工艺也可应用于智能功率集成电路封装工作中。

（二）智能功率集成电路中功率半导体器件的应用分析

从实际情况来看，智能功率集成电路主要可分为传感保护、智能接口、功率控制三个模块，其中功率控制主要针对驱动电路及功率半导体器件；传感保护及智能接口则用于保障功率控制模块的正常运营。一般来说，低侧及高侧功率半导体器件需分别接入不同的驱动电路，并利用高压电平位移电路保证控制信号的顺畅传递。通过采集芯片温度、电流、电压等数据并将其传送至保护电路，可使得该电路可依据智能功率集成电路的实际状况有针对性地起到保护作用。此外，考虑到电力电子装置需要与外部设备及网络进行对接，因此智能接口模块将成为智能功率集成电路与外界开展指令交换及信息传输的重要通道。在对系统功率、需求进行分析后可知，系统本身可精确掌控接口端线路电流及装置能源模式的具体运行状况，并通过合理应用功率半导体器件在不同条件下的导电特性实现能源的有效转化，确保电力电子装置可始终保持高效的运行状态。

由此可得到结论，智能功率集成电路的工作成效与功率半导体器件的应用性能直接挂钩，只有以功率半导体为基础方可充分发挥智能集成电路的控制功能[2]。

结论：综上而言，在对现有智能功率集成电路进行研究期间，通过深入分析功率半导体在智能集成电路中的应用，可使得相关人员充分了解智能功率集成电路的发展趋势，进一步提高其实际使用范围，为电力电子技术领域的发展提供有效参考。

参考文献：

[1]丁荣军,窦泽春,罗海辉.高压大容量功率半导体器件技术及其应用[J].机车电传动,2023(2):1-13.

[2]陈冠军,孙振远,王雷.功率半导体器件技术的研究与进展[J].中国战略新兴产业,2022(23):116-118.

作者简介：刘剑（1990·10）男，汉族，籍贯：河南南阳，学历：硕士研究生，海信家电集团股份有限公司  高级芯片封装设计工程师，研究方向：芯片封装设计及仿真研究 。