浅谈功率器件的前世今生

电力电子器件(Power Electronic Device)，又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率(通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)电子器件。由于早期主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面，因此得名“电力电子器件”。

Q：功率处理怎么理解?

A：一般指的是变频、变压、变流、功率管理等电路处理动作。

Q：高电压有多高?大电流有多大?

A：电压处理范围通常为数百伏以上，电流为数十至数千安。

Q：典型的功率器件有哪些?

A：Diode、GTR、Thyristor、SCR、GTO、MOSFET 、IGBT、MCT、IGCT、IECT、IPEM、PEBB 等。

Q：功率器件这么多，如何分类?

A：按照导通、关断的受控情况可分为不可控、半控和全控型功率器件;

按照载流子导电情况可分为双极型、单极型和复合型功率器件;

按照控制信号情况，可以分为电流驱动型和电压驱动型功率器件。

电子管时代

1904 年英国佛莱明在「爱迪生效应」的基础上研制出了“热离子阀”， 从而催生了世界上第一只电子管，称为佛莱明管(真空二极检波管)，世界进入电子管时代。当时的佛莱明管只有检波与整流的作用，性能并不稳定，主要用在通信和无线电领域。

真空管时代

1906 年，为了提高真空二极管检波灵敏度，德·福雷斯特在佛莱明的玻璃管内添加了栅栏式的金属网，形成第三个极，从此二极管摇身一变，成为三极真空管，并兼具放大与振荡的功能。

水银整流器时代

1930 年代 -1950 年代是水银整流器迅速发展的 30 年，集聚整流、逆变、周波变流等功用，广泛应用于电化学工业、电气铁道直流变电、直流电动机的传动等领域。

第一代功率器件——半控型晶闸管时代

1947 年，贝尔实验室发明了由多晶锗构成的点触式晶体管，后又在硅材料上得到验证，一场电子威廉希尔官方网站 的革命开始了。

1957 年，美国通用电气公司发明了晶闸管，标志着电力电子威廉希尔官方网站 的诞生，正式进入了以晶闸管为代表的第一代电力电子威廉希尔官方网站 发展阶段。当时的晶闸管主要用于相控电路，工作频率一般低于 400Hz，较水银整流器，具有体积小、可靠性高、节能等优点。但只能控制导通，不能控制关断的半控型特点在直流供电场合的使用显得很鸡肋，必须要加上电感、电容以及其他开关件才能强制换流，从而导致变流装置整机体积增大、效率降低等问题的出现。

第二代功率器件——以 GTO、BJT、MOSFET、IGBT 为代表的全控型功率器件时代

1970 年代，既能控制导通，又能控制关断的全控型功率器件在集成电路威廉希尔官方网站 的发展过程中应运而生，如门极可关断晶闸管 GTO、电力双极型晶体管 BJT、电力场效应晶体管功率 MOSFET 等，其工作频率达到兆赫级，常被应用于直流高频斩波电路、软开关谐振电路、脉宽调制电路等。

到了 1980 年代后期，绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)出现，兼具 MOSFET 输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快和 BJT 通态压降小、载流能力大、耐压高的优点，因此在中低频率、大功率电源中运用广泛。

第三代功率器件——宽禁带功率器件

随着以硅材料为基础的功率器件逐渐接近其理论极限值，利用宽禁带半导体材料制造的电力电子器件显示出比 Si 和 GaAs 更优异的特性，给功率半导体产业的发展带来了新的生机。

2014 年，美国奥巴马政府连同企业一道投资 1.4 亿美元在 NCSU 成立 TheNext Generation Power Electronics Institute，发展新一代宽禁带电力半导体器件。

相对于 Si 材料，使用宽禁带半导体材料制造新一代的功率器件，可以变得更小、更快、更可靠和更高效。这将减少功率器件的质量、体积以及生命周期成本，允许设备在更高的温度、电压和频率下工作，使得功率器件使用更少的能量却可以实现更高的性能。

审核编辑 黄昊宇