简单认识功率器件

功率器件 (Power Devices) 通常也称为电力电子器件，是专门用来进行功率处理的半导体器件。功率器件具有承受高电压、通过大电流的能力，处理电压的范围可以从几十伏到几千伏，通过电流的能力最高可达几千安。功率器件大量应用于高压电传输，如变电站、储能设备，以及功率电子设备，如伺服驱动、变频器、电机保护器等。在这些应用里，系统依赖功率器件实现变压、变频、功率管理等各种功能。

常见的功率器件有大功率晶体管 (Power MOSFET)、晶闸管 (Thyristor)双向 (Triode for Alternating Current，TRIAC) 晶闸管、栅极关断 ( Gate Turn-Off，GTO) 晶闸管、绝缘栅双极晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、集成栅极换流晶闸管 (Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT)、发射极关断(Emitter Turn-0ff，ETO) 晶闸管、MOS 门控晶闸管 (MOS Controlled Thyristor，MCT)。早期的功率器件主要为大功率二极管、晶闸管等，应用也通常仅限于工业和电力系统。后来随着功率金属-氧化物-半导体场效应管器件和各种新型功率器件如 IGBT 的快速发展，功率器件的应用变得越来越广泛。

功率器件的分类有下列几种方法。

根据开关特性的不同，功率器件可分为两种。①半控型器件:器件的栅极(早期也称门极)信号只能控制器件导通但不能控制器件关断，如 SCR。②全控性器件: 器件的栅极信号既能控制器件导通又能控制器件关断，如三极管、IGBT、IGCT、ETO 晶闸管、MCT、GTO 晶闸管等。

功率器件的控制极有栅极、基极等不同类型，因此根据控制极信号类型的不同，功率器件可分为两种。①电流控制型器件: 控制极的控制信号是电流的流入或流出，如 SCR。②电压控制型器件: 控制极的控制信号是电压，控制极损耗的电流很小，如 IGBT。

根据导电载流子的不同，功率器件可分为三种。①单极器件: 只有一种载流子参与导电，如 MOSFET。②双极器件: 由电子和空穴共同参与导电，如BJT。③混合型器件:由单极器件和双极器件组合而成的器件，如 IGBT。

从技术上讲，功率器件正向着提高快速恢复性能、降低导通电阻、提高电流控制能力、提高额定耐压、提高耐温与降低功耗等方向发展。

随着硅基功率器件和工艺的渐渐成熟，其性能已逐步逼近材料极限，要取得突破性的进展就需要采用具有更高性能极限的材料。而宽禁带半导体材料，如氮化镓 (GaN)、碳化硅 (SiC) 等，具有临界击穿电场强度高、电子饱和速率高、耐高温、抗辐射等优势，使用宽禁带半导体材料制作的功率器件也已进入商用市场，而系统设计者对宽禁带半导体产品的使用程度将决定市场成长的速度。

GaN 在功率半导体领域以功率放大、整流和高频切换等应用为主，在 300V~1kV的中压电力电子市场成长快速。此外，节能产业对高效率中高压变频器的需求也会加速 GaN 功率半导体市场的成长。采用 MOCVD 方法在蓝宝石基板上生长 GaN 薄膜的技术在LED 产业已十分成熟，故在新兴的电力电子市场，发展以 MOCVD 在大尺寸的 Si 基板上形成 GaN-on-Si 结构来制作功率器件的技术极具产业化潜力。

SiC 的阻断电压远比 GaN、功率 MOS 管及硅 IGBT 要高，适合用在高于 1kV的高压及大电流的电力电子领域，主要市场以铁路交通和高压电网等为主，但稳定性及较长的生命期是主要需要考虑的因素。此外，美国 Cree 公司也已量产GaN-on-SiC 结构的微波器件。

审核编辑：汤梓红