半導(dǎo)體（Semiconductor）是現(xiàn)代電子信息社會的物理基石，并已成為推動各種革命性變革和創(chuàng)新的強(qiáng)大驅(qū)動力，這點(diǎn)已是當(dāng)前的社會共識。而功率器件正是半導(dǎo)體大產(chǎn)業(yè)的細(xì)分類別之一，在從電網(wǎng)、高鐵等高功率裝備、設(shè)備，到家電、數(shù)碼產(chǎn)品、手機(jī)等中低功率日常消費(fèi)電子產(chǎn)品中，功率器件都扮演著不可或缺的電能轉(zhuǎn)換、供給的角色。

功率器件也稱電子電力器件，是主要用于電氣工程、電力系統(tǒng)中，根據(jù)負(fù)載的要求處理電路中電力轉(zhuǎn)換的器件，從而使電氣設(shè)備得到最佳的電能供給和高效、安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。與普通的半導(dǎo)體器件一樣，目前功率器件所采用的主要材料仍然是硅，但由于硅基材料自身的物理屬性限制，在電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料制作的功率器件正逐漸嶄露頭角。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展始于功率器件，因此我們從半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程講起。

1. MCT (MOS Control ledThyristor)：MOS控制晶閘管

MCT的等效電路圖

MCT 是一種新型MOS 與雙極復(fù)合型器件。如上圖所示。MCT是將 MOSFET 的高阻抗、低驅(qū)動圖 MCT 的功率、快開關(guān)速度的特性與晶閘管的高壓、大電流特型結(jié)合在一起，形成大功率、高壓、快速全控型器件。實(shí)質(zhì)上MCT 是一個(gè)MOS 門極控制的晶閘管。它可在門極上加一窄脈沖使其導(dǎo)通或關(guān)斷，它由無數(shù)單胞并聯(lián)而成。它與GTR，MOSFET， IGBT，GTO 等器件相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)電壓高、電流容量大，阻斷電壓已達(dá)3 000V，峰值電流達(dá)1 000 A，最大可關(guān)斷電流密度為6 000kA/ m2;

(2)通態(tài)壓降小、損耗小，通態(tài)壓降約為11V;

(3)極高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已達(dá) 20 kV/s ，di/dt為2 kA/s;

(4)開關(guān)速度快， 開關(guān)損耗小，開通時(shí)間約200ns，1 000 V 器件可在2 s 內(nèi)關(guān)斷;

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2. IGCT( Intergrated Gate Commutated Thyristors)

IGCT 是在晶閘管技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合 IGBT 和GTO 等技術(shù)開發(fā)的新型器件，適用于高壓大容量變頻系統(tǒng)中，是一種用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導(dǎo)體器件。

IGCT 是將GTO 芯片與反并聯(lián)二極管和門極驅(qū)動電路集成在一起，再與其門極驅(qū)動器在外圍以低電感方式連接，結(jié)合了晶體管的穩(wěn)定關(guān)斷能力和晶閘管低通態(tài)損耗的優(yōu)點(diǎn)。在導(dǎo)通階段發(fā)揮晶閘管的性能，關(guān)斷階段呈現(xiàn)晶體管的特性。IGCT 芯片在不串不并的情況下，二電平逆變器功率0.5~ 3 MW，三電平逆變器 1~ 6 MW;若反向二極管分離，不與IGCT 集成在一起，二電平逆變器功率可擴(kuò)至4 /5 MW，三電平擴(kuò)至 9 MW。

目前，IGCT 已經(jīng)商品化， A B B 公司制造的 IGCT 產(chǎn)品的最高性能參數(shù)為4[1] 5 kV / 4 kA ，最高研制水平為6 kV/ 4 kA。1998 年，日本三菱公司也開發(fā)了直徑為88 mm 的GCT 的晶閘管IGCT 損耗低、 開關(guān)快速等優(yōu)點(diǎn)保證了它能可靠、高效率地用于300 kW~ 10 MW 變流器，而不需要串聯(lián)和并聯(lián)。

3. IEGT( Injection Enhanced Gate Transistor) 電子注入增強(qiáng)柵晶體管

IEGT 是耐壓達(dá) 4 kV 以上的 IGBT 系列電力電子器件，通過采取增強(qiáng)注入的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了低通態(tài)電壓，使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發(fā)展。IEGT 具有作為MOS 系列電力電子器件的潛在發(fā)展前景，具有低損耗、高速動作、高耐壓、有源柵驅(qū)動智能化等特點(diǎn)，以及采用溝槽結(jié)構(gòu)和多芯片并聯(lián)而自均流的特性，使其在進(jìn)一步擴(kuò)大電流容量方面頗具潛力。另外，通過模塊封裝方式還可提供眾多派生產(chǎn)品，在大、中容量變換器應(yīng)用中被寄予厚望。日本東芝開發(fā)的 IECT 利用了電子注入增強(qiáng)效應(yīng)，使之兼有 IGBT 和 GTO 兩者的優(yōu)點(diǎn): 低飽和壓降，安全工作區(qū)(吸收回路容量僅為 GTO 的十分之一左右) ，低柵極驅(qū)動功率(比 GT O 低兩個(gè)數(shù)量級)和較高的工作頻率。器件采用平板壓接式電機(jī)引出結(jié)構(gòu)，可靠性高， 性能已經(jīng)達(dá)到4.5 kV/ 1 500A 的水平。

4. PE B B(Power Electric Building Block)?

典型的PE B B

電力電子積木PE B B ( Pow er Elect ric Building Block ) 是在IPEM 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的可處理電能集成的器件或模塊。PE B B 并不是一種特定的半導(dǎo)體器件，它是依照最優(yōu)的電路結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同器件和技術(shù)的集成。典型的PE B B 上圖所示。雖然它看起來很像功率半導(dǎo)體模塊，但PE B B 除了包括功率半導(dǎo)體器件外，還包括門極驅(qū)動電路、電平轉(zhuǎn)換、傳感器、保護(hù)電路、電源和無源器件。PE B B 有能量接口和通訊接口。通過這兩種接口，幾個(gè)PE B B 可以組成電力電子系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以像小型的DC- DC 轉(zhuǎn)換器一樣簡單，也可以像大型的分布式電力系統(tǒng)那樣復(fù)雜。一個(gè)系統(tǒng)中， PEB B的數(shù)量可以從一個(gè)到任意多個(gè)。多個(gè) PE B B 模塊一起工作可以完成電壓轉(zhuǎn)換、能量的儲存和轉(zhuǎn)換、陰抗匹配等系統(tǒng)級功能，PE B B 最重要的特點(diǎn)就是其通用性。

5.碳化硅與碳化硅 ( SiC ) 功率器件

在用新型半導(dǎo)體材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅 ( SiC ) 功率器件。它的性能指標(biāo)比砷化鎵器件還要高一個(gè)數(shù)量級，碳化硅與其他半導(dǎo)體材料相比，具有下列優(yōu)異的物理特點(diǎn): 高的禁帶寬度，高的飽和電子漂移速度，高的擊穿強(qiáng)度，低的介電常數(shù)和高的熱導(dǎo)率。上述這些優(yōu)異的物理特性，決定了碳化硅在高溫、高頻率、高功率的應(yīng)用場合是極為理想的半導(dǎo)體材料。在同樣的耐壓和電流條件下，SiC器件的漂移區(qū)電阻要比硅低200倍，即使高耐壓的 SiC場效應(yīng)管的導(dǎo)通壓降，也比單極型、雙極型硅器件的低得多。而且，SiC器件的開關(guān)時(shí)間可達(dá)10nS量級，并具有十分優(yōu)越的 FBSOA。

SiC可以用來制造射頻和微波功率器件，各種高頻整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。SiC高頻功率器件已在Motorola公司研發(fā)成功，并應(yīng)用于微波和射頻裝置。GE公司正在開發(fā)SiC功率器件和高溫器件(包括用于噴氣式引擎的傳感器)。西屋公司已經(jīng)制造出了在26GHz頻率下工作的甚高頻的MESFET。A B B公司正在研制高功率、高電壓的SiC整流器和其他SiC低頻功率器件，用于工業(yè)和電力系統(tǒng)。

自功率IC出現(xiàn)以后，功率半導(dǎo)體市場從單一的功率器件產(chǎn)品，豐富為功率器件、功率集成電路產(chǎn)品并存，而又由于各代功率半導(dǎo)體產(chǎn)品在自身結(jié)構(gòu)體系內(nèi)不斷迭代、在不同的應(yīng)用領(lǐng)域及生產(chǎn)成本方面各有優(yōu)勢，當(dāng)前整個(gè)功率半導(dǎo)體市場呈現(xiàn)出多代產(chǎn)品共存的局面。

未來，隨著半導(dǎo)體加工技術(shù)及功率半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子技術(shù)也在不斷向前發(fā)展，并表現(xiàn)出如下特征：1、降低產(chǎn)品的重量、體積；2、減少電力轉(zhuǎn)換過程中的損耗；3、降低生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)周期；4、降低產(chǎn)品的失效率，提升產(chǎn)品的可靠性；5、進(jìn)一步提升功率密度和開關(guān)頻率，以適應(yīng)更多新興發(fā)展方向；6、多代產(chǎn)品依照其功能、價(jià)格特點(diǎn)，依舊保持共存局面。

編輯：黃飛

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