功率半导体器件类别概览
功率半导体是电力电子系统的核心,承担着电能转换(整流､逆变､变频､变压等)和电路控制的关键任务｡它们主要工作在开关状态(导通/关断),以高效地处理和控制较大功率(电流､电压)｡根据其结构､工作原理和控制特性,主要可分为以下几大类:
- 功率二极管 (Power Diodes)
核心特性: 最简单的功率半导体器件,具有单向导电性(正向导通,反向阻断)｡不可控器件,其导通与关断完全由外部电路电压极性决定｡
主要类型:
普通整流二极管 (General Purpose Rectifier Diodes): 用于低频整流｡
快恢复二极管 (Fast Recovery Diodes FRDs): 具有极短的反向恢复时间,用于高频开关电路(如开关电源)中,减少开关损耗和电磁干扰｡
肖特基势垒二极管 (Schottky Barrier Diodes SBDs): 利用金属半导体结,正向压降更低,开关速度极快(几乎没有反向恢复问题),但反向耐压相对较低,反向漏电流较大｡广泛用于低压､高频场合｡
- 晶闸管及其派生器件 (Thyristors and Derivatives)
核心特性: 半控型器件｡一旦通过门极信号触发导通,即使撤掉门极信号,只要阳极电流大于擎住电流,器件会维持导通,直到阳极电流下降到维持电流以下才能关断｡因此,只能控制导通,不能直接控制关断(需要依靠外部电路条件)｡
主要类型:
普通晶闸管 (Silicon Controlled Rectifier SCR): 最基础的类型,主要用于工频或中低频的交流调压､整流和有源逆变等｡
门极可关断晶闸管 (Gate TurnOff Thyristor GTO): 在SCR基础上发展而来,增加了门极关断能力｡门极施加负脉冲电流可以强制关断导通中的GTO｡控制能力比SCR强,但驱动电路复杂,开关速度相对较慢(尤其是关断)｡
集成门极换流晶闸管 (Integrated GateCommutated Thyristor IGCT): GTO的改进型｡将门极驱动电路高度集成在器件模块内,优化了门极换流路径,大大提高了开关速度和可靠性,降低了驱动功率和损耗｡常用于大功率变流器｡
- 功率晶体管 (Power Transistors)
核心特性: 全控型器件｡通过持续的控制信号(电流或电压)既可以控制其导通,也可以控制其关断｡控制灵活,开关速度普遍快于晶闸管类器件｡
主要类型:
功率双极结型晶体管 (Bipolar Junction Transistor BJT): 电流控制型器件｡需要持续的基极电流来维持导通｡导通压降相对较低,但开关速度较慢,驱动功率较大,存在二次击穿问题｡在现代中高频应用中已基本被MOSFET和IGBT取代｡
功率金属氧化物半导体场效应晶体管 (Power MetalOxideSemiconductor FieldEffect Transistor MOSFET): 电压控制型器件｡通过栅源电压控制导通与关断｡主要优势: 开关速度极快(可达MHz级),驱动简单(驱动功率小),无二次击穿问题,导通电阻具有正温度系数,易于并联｡主要局限: 导通电阻随耐压升高而显著增大(Rdson A 常数),导致高压器件导通损耗较大｡因此,最适合中低压(通常< 1000V)､高频应用(如开关电源､DCDC转换器､电机驱动)｡
绝缘栅双极晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT): 复合型全控器件｡结合了MOSFET的电压控制(栅极)和BJT的低导通压降优势｡结构本质: 可看作由MOSFET驱动的达林顿结构PNP型BJT(更精确地说是MOSFET输入､BJT输出的复合结构)｡优势: 在中高电压范围(600V 6500V+)具有比MOSFET低得多的导通压降(导通损耗小),同时保持了电压控制的优点,开关速度高于GTO/BJT但低于MOSFET｡应用: 是目前中高功率､中高电压应用(如工业变频器､电动汽车主驱逆变器､新能源发电逆变器､UPS､焊机等)的绝对主力器件｡
- 宽禁带半导体功率器件 (Wide Bandgap WBG Power Devices)
核心特性: 采用碳化硅 (SiC) 或氮化镓 (GaN) 等宽禁带半导体材料制造的新一代功率器件｡相比传统硅 (Si) 器件,具有更高的禁带宽度､更高的临界击穿电场､更高的热导率､更高的电子饱和漂移速度等优异物理特性｡
革命性优势:
更高的耐压能力: 相同耐压下,器件厚度可以更薄,导通电阻更低｡
更高的工作温度: 理论极限温度远超Si器件｡
更高的开关速度: 开关损耗 (Eon/Eoff) 极低,可工作于MHz级频率｡
更低的导通损耗: 尤其在高耐压等级下优势显著｡
主要类型 (结构与Si类似,但性能飞跃):
SiC 肖特基二极管 (SiC SBDs): 率先商用化,几乎无反向恢复,是高频PFC和逆变器桥臂中FRD的理想替代品｡
SiC MOSFET: 在高电压(650V, 1200V, 1700V+)下,导通电阻和开关损耗远低于Si IGBT和Si MOSFET,正在快速取代IGBT在高端应用(如电动汽车主驱､光伏/储能逆变器)中的地位｡
SiC 结型场效应晶体管 (SiC JFETs) / SiC 常开型器件: 另一种结构,通常与Si MOSFET级联构成常关模块使用｡
GaN 高电子迁移率晶体管 (GaN HEMTs): 主要优势集中在650V及以下电压等级的超高频(MHz级)､超高功率密度应用(如快充适配器､数据中心服务器电源､激光雷达､无线充电)｡通常是常开型器件,需配合驱动做成常关模块使用｡开关速度极快,无反向恢复｡
总结逻辑:
从控制能力分: 不可控 (二极管) > 半控 (晶闸管类) > 全控 (晶体管类､WBG器件)｡
从结构原理分: 二极管 > 四层三端器件 (晶闸管类) > 三层三端双极型 (BJT) > 三层三端单极型 (MOSFET) > 四层三端复合型 (IGBT) > 基于新材料的新结构 (SiC MOSFET, GaN HEMT)｡
从应用趋势分: Si基器件 (二极管､晶闸管､BJT､MOSFET､IGBT) 仍广泛应用 > WBG器件 (SiC, GaN) 凭借卓越性能在高端､高频､高功率密度领域高速渗透,是未来发展方向｡
这种分类清晰地展示了功率半导体从基础到先进､从低频到高频､从小功率到大功率､从硅基到宽禁带的技术演进脉络和应用场景差异｡
