如何讀懂功率器件，教你從小白變大神的進(jìn)階之路

隨著以硅材料為基礎(chǔ)的功率器件逐漸接近其理論極限值，利用寬禁帶半導(dǎo)體材料制造的電力電子器件顯示出比 Si 和 GaAs 更優(yōu)異的特性，給功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了新的生機(jī)。

功率器件，也被稱為電力電子器件，簡單來說，就是具有處理高電壓、大電流能力的功率型半導(dǎo)體器件。由于早期主要用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路方面，因此得名“電力電子器件”。

Q:功率處理怎么理解?

A:一般指的是變頻、變壓、變流、功率管理等電路處理動(dòng)作。

Q:高電壓有多高?大電流有多大?

A:電壓處理范圍通常為數(shù)百伏以上，電流為數(shù)十至數(shù)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:功率器件這么多，如何分類?

A:按照導(dǎo)通、關(guān)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(dǎo)電情況可分為雙極型、單極型和復(fù)合型功率器件;按照控制信號(hào)情況，可以分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型功率器件。

如果想學(xué)習(xí)功率器件相關(guān)知識(shí)，有推薦的資料或書籍嗎?

細(xì)細(xì)想來，作為一名“攻城獅”，在初學(xué)階段用的是 Prof. Ned Mohan 寫的那本經(jīng)典的《Power Electronics:Converters, Applications and Design》，其中功率半導(dǎo)體章節(jié)不算多，但是寫的很細(xì)致，細(xì)細(xì)讀完可以掌握幾種常見的功率器件基本原理。在此基礎(chǔ)上，看了 Prof. Jayant Baliga 的《Fundamentals of PowerSemiconductor Devices》和 Prof. Josef Lutz 的《Semiconductor Power Devices》的穩(wěn)定性相關(guān)部分。小伙伴們，如果有好的書籍可以在留言區(qū)分享給我們哦。

功率器件發(fā)展史

電子管時(shí)代

1904 年英國佛萊明在「愛迪生效應(yīng)」的基礎(chǔ)上研制出了“熱離子閥”， 從而催生了世界上第一只電子管，稱為佛萊明管(真空二極檢波管)，世界進(jìn)入電子管時(shí)代。當(dāng)時(shí)的佛萊明管只有檢波與整流的作用，性能并不穩(wěn)定，主要用在通信和無線電領(lǐng)域。

真空管時(shí)代

1906 年，為了提高真空二極管檢波靈敏度，德·福雷斯特在佛萊明的玻璃管內(nèi)添加了柵欄式的金屬網(wǎng)，形成第三個(gè)極，從此二極管搖身一變，成為三極真空管，并兼具放大與振蕩的功能。

水銀整流器時(shí)代

1930 年代 -1950 年代是水銀整流器迅速發(fā)展的 30 年，集聚整流、逆變、周波變流等功用，廣泛應(yīng)用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電、直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)等領(lǐng)域。

第一代功率器件——半控型晶閘管時(shí)代

1947 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了由多晶鍺構(gòu)成的點(diǎn)觸式晶體管，后又在硅材料上得到驗(yàn)證，一場電子技術(shù)的革命開始了。

1957 年，美國通用電氣公司發(fā)明了晶閘管，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生，正式進(jìn)入了以晶閘管為代表的第一代電力電子技術(shù)發(fā)展階段。當(dāng)時(shí)的晶閘管主要用于相控電路，工作頻率一般低于 400Hz，較水銀整流器，具有體積小、可靠性高、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。但只能控制導(dǎo)通，不能控制關(guān)斷的半控型特點(diǎn)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(guān)件才能強(qiáng)制換流，從而導(dǎo)致變流裝置整機(jī)體積增大、效率降低等問題的出現(xiàn)。

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

1970 年代，既能控制導(dǎo)通，又能控制關(guān)斷的全控型功率器件在集成電路技術(shù)的發(fā)展過程中應(yīng)運(yùn)而生，如門極可關(guān)斷晶閘管 GTO、電力雙極型晶體管 BJT、電力場效應(yīng)晶體管功率 MOSFET 等，其工作頻率達(dá)到兆赫級(jí)，常被應(yīng)用于直流高頻斬波電路、軟開關(guān)諧振電路、脈寬調(diào)制電路等。

到了 1980 年代后期，絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)出現(xiàn)，兼具 MOSFET 輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快和 BJT 通態(tài)壓降小、載流能力大、耐壓高的優(yōu)點(diǎn)，因此在中低頻率、大功率電源中運(yùn)用廣泛。

各功率器件功率頻譜(左)&耐壓功率(右)對(duì)比圖 (圖片來源：知乎)

第三代功率器件——寬禁帶功率器件

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

相對(duì)于 Si 材料，使用寬禁帶半導(dǎo)體材料制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(zhì)量、體積以及生命周期成本，允許設(shè)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(shí)現(xiàn)更高的性能。