详解功率半导体器件的常见分类

我们知道功率器件是电子装置中电能转换与电路控制的核心，它利用半导体单向导电的特性，改变电子装置中电压、频率、相位和直流交流转换等功能。根据可控性和其他使用因素，功率器件分成了很多种类别，其中常见的分类有：

MOS控制晶闸管MCT(MOS Controlled Thyristor)

MCT是一种新型MOS与双极复合型器件。MCT是将MOSFET的高阻抗、低驱动图MCT的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起，形成大功率、高压、快速全控型器件。实质上MCT是一个MOS门极控制的晶闸管。它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断，它由无数单胞并联而成。

IGCT集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors)

IGCT是在晶闸管技术的基础上结合IGBT和GTO等技术开发的新型器件，具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点。是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件，适用于高压大容量变频系统，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。

IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。

集成电力电子模块IPEM(Intergrated Power Elactronics Modules)

IPEM是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。它首先是将半导体器件MOSFET，IGBT或MCT与二极管的芯片封装在一起组成一个积木单元，然后将这些积木单元迭装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上，在它的下面依次是铜基板、氧化铍瓷片和散热片。在积木单元的上部，则通过表面贴装将控制电路、门极驱动、电流和温度传感器以及保护电路集成在一个薄绝缘层上。

IPEM实现了电力电子技术的智能化和模块化，大大降低了电路接线电感、系统噪声和寄生振荡，提高了系统效率及可靠性。

电力电子积木PEBB(Power Electric Building Block)

PEBB是在IPEM的基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。PEBB并不是一种特定的半导体器件，它是依照最优的电路结构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。

它除了包括功率半导体器件外，还含有门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。PEBB有能量接口和通讯接口，通过这两种接口，几个PEBB可以组成电力电子系统。这些系统可以像小型的DC-DC转换器一样简单，也可以像大型的分布式电力系统那样复杂。

一个系统中，PEBB的数量可以从一个到任意多个。多个PEBB模块一起工作可以完成电压转换、能量的储存和转换、阴抗匹配等系统级功能，PEBB最重要的特点就是其通用性。

电子注入增强栅晶体管IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)

IEGT是耐压达4kV以上的IGBT系列电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点，以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性，使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。另外，通过模块封装方式还可提供众多派生产品，在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。

超大功率晶闸管

晶闸管(SCR)自问世以来，其功率容量提高了近3000倍。近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC、静止无功补偿(SVC)、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍占有十分重要的地位。

该器件独特的结构和工艺特点是：门-阴极周界很长并形成高度交织的结构，门极面积占芯片总面积的90%，而阴极面积仅占10%;基区空穴-电子寿命很长，门-阴极之间的水平距离小于一个扩散长度。上述两个结构特点确保了该器件在开通瞬间，阴极面积能得到100%的应用。此外，该器件的阴极电极采用较厚的金属层，可承受瞬时峰值电流。

高功率沟槽栅结构IGBT(TrenchIGBT)模块

当今高功率IGBT模块中的IGBT元胞通常多采用沟槽栅结构IGBT。与平面栅结构相比，沟槽栅结构通常采用1μm加工精度，从而大大提高了元胞密度。由于门极沟的存在，消除了平面栅结构器件中存在的相邻元胞之间形成的结型场效应晶体管效应，同时引入了一定的电子注入效应，使得导通电阻下降。为增加长基区厚度、提高器件耐压创造了条件。所以近几年来出现的高耐压大电流IGBT器件均采用这种结构。

碳化硅与碳化硅(SiC)功率器件

在用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅(SiC)功率器件。它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级，碳化硅与其他半导体材料相比，具有下列优异的物理特点：高禁带宽度，高饱和电子漂移速度，高击穿强度，低介电常数和高热导率。上述这些优异的物理特性，决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料。

在同样的耐压和电流条件下，SiC器件的漂移区电阻要比硅低200倍，即使高耐压的SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低得多。而且，SiC器件的开关时间可达10nS量级，并具有十分优越的FBSOA。SiC可以用来制造射频和微波功率器件，各种高频整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。

以上就是常见的功率半导体器件。电力电子变换器的功率等级覆盖范围非常广泛，包括小功率范围：如笔记本电脑、冰箱、洗衣机、空调等;中功率范围电气传动、新能源发电等;大功率范围：如高压直流输电系统等，科技的发展也对功率半导体器件提出了越来越多、越来越高的性能需求。

审核编辑：汤梓红