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功率器件的前世今生

發布時間：2020-10-22 責任編輯：lina

【導讀】電力電子器件(Power Electronic Device)，又稱為功率半導體器件，用於電能變換和電能控製電路中的大功率(通常指電流為數十至數千安，電壓為數百伏以上)電子器件。由於早期主要用於電力設備的電能變換和控製電路方麵，因此得名“電力電子器件”。

電力電子器件(Power Electronic Device)，又稱為功率半導體器件，用於電能變換和電能控製電路中的大功率(通常指電流為數十至數千安，電壓為數百伏以上)電子器件。由於早期主要用於電力設備的電能變換和控製電路方麵，因此得名“電力電子器件”。

Q：功率處理怎麼理解?

A：一般指的是變頻、變壓、變流、功率管理等電路處理動作。

Q：高電壓有多高?大電流有多大?

A：電壓處理範圍通常為數百伏以上，電流為數十至數千安。

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：功率器件這麼多，如何分類?

A：按照導通、關斷的受控情況可分為不可控、半控和全控型功率器件;

按照載流子導電情況可分為雙極型、單極型和複合型功率器件;

按照控製信號情況，可以分為電流驅動型和電壓驅動型功率器件。

電子管時代

1904 年英國佛萊明在「愛迪生效應」的基礎上研製出了“熱離子閥”，從而催生了世界上第一隻電子管，稱為佛萊明管(真空二極檢波管)，世界進入電子管時代。當時的佛萊明管隻有檢波與整流的作用，性能並不穩定，主要用在通信和無線電領域。

真空管時代

1906 年，為了提高真空二極管檢波靈敏度，德·福(fu)雷(lei)斯(si)特(te)在(zai)佛(fo)萊(lai)明(ming)的(de)玻(bo)璃(li)管(guan)內(nei)添(tian)加(jia)了(le)柵(zha)欄(lan)式(shi)的(de)金(jin)屬(shu)網(wang)，形(xing)成(cheng)第(di)三(san)個(ge)極(ji)，從(cong)此(ci)二(er)極(ji)管(guan)搖(yao)身(shen)一(yi)變(bian)，成(cheng)為(wei)三(san)極(ji)真(zhen)空(kong)管(guan)，並(bing)兼(jian)具(ju)放(fang)大(da)與(yu)振(zhen)蕩(dang)的(de)功(gong)能(neng)。

水銀整流器時代

1930 年代 -1950 年代是水銀整流器迅速發展的 30 年，集聚整流、逆變、周波變流等功用，廣泛應用於電化學工業、電氣鐵道直流變電、直流電動機的傳動等領域。

第一代功率器件——半控型晶閘管時代

1947 年，貝爾實驗室發明了由多晶鍺構成的點觸式晶體管，後又在矽材料上得到驗證，一場電子技術的革命開始了。

1957 年(nian)，美(mei)國(guo)通(tong)用(yong)電(dian)氣(qi)公(gong)司(si)發(fa)明(ming)了(le)晶(jing)閘(zha)管(guan)，標(biao)誌(zhi)著(zhe)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)的(de)誕(dan)生(sheng)，正(zheng)式(shi)進(jin)入(ru)了(le)以(yi)晶(jing)閘(zha)管(guan)為(wei)代(dai)表(biao)的(de)第(di)一(yi)代(dai)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)階(jie)段(duan)。當(dang)時(shi)的(de)晶(jing)閘(zha)管(guan)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)相(xiang)控(kong)電(dian)路(lu)，工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)一(yi)般(ban)低(di)於(yu) 400Hz，較水銀整流器，具有體積小、可靠性高、節能等優點。但隻能控製導通，不能控製關斷的半控型特點在直流供電場合的使用顯得很雞肋，必須要加上電感、電容以及其他開關件才能強製換流，從而導致變流裝置整機體積增大、效率降低等問題的出現。

第二代功率器件——以 GTO、BJT、MOSFET、IGBT 為代表的全控型功率器件時代

1970 年代，既能控製導通，又能控製關斷的全控型功率器件在集成電路技術的發展過程中應運而生，如門極可關斷晶閘管 GTO、電力雙極型晶體管 BJT、電力場效應晶體管功率 MOSFET 等，其工作頻率達到兆赫級，常被應用於直流高頻斬波電路、軟開關諧振電路、脈寬調製電路等。

到了 1980 年代後期，絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)出現，兼具 MOSFET 輸入阻抗高、驅動功率小、開關速度快和 BJT 通態壓降小、載流能力大、耐壓高的優點，因此在中低頻率、大功率電源中運用廣泛。

第三代功率器件——寬禁帶功率器件

隨著以矽材料為基礎的功率器件逐漸接近其理論極限值，利用寬禁帶半導體材料製造的電力電子器件顯示出比 Si 和 GaAs 更優異的特性，給功率半導體產業的發展帶來了新的生機。

2014 年，美國奧巴馬政府連同企業一道投資 1.4 億美元在 NCSU 成立 TheNext Generation Power Electronics Institute，發展新一代寬禁帶電力半導體器件。

相對於 Si 材料，使用寬禁帶半導體材料製造新一代的功率器件，可以變得更小、更快、更可靠和更高效。這將減少功率器件的質量、體積以及生命周期成本，允許設備在更高的溫度、電壓和頻率下工作，使得功率器件使用更少的能量卻可以實現更高的性能。

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