電力電子器件（Power Electronic Device）又稱為功率半導(dǎo)體器件，主要用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路方面大功率的電子器件（通常指電流為數(shù)十至數(shù)千安，電壓為數(shù)百伏以上），其不斷發(fā)展引導(dǎo)著各種電力電子拓撲電路的不斷完善，今天小慕帶大家一起回顧下電力電子器件的發(fā)展史，一起領(lǐng)略人類智慧如何一步步進入這個神奇的電力世界。

史前

這個得從愛迪生在研究電燈泡時說起，他做了管壁的防塵防煙實驗，1880年無意間發(fā)現(xiàn)在燈泡管內(nèi)插入獨立電極的地方與燈絲之間，在某種條件下會產(chǎn)生電流。這個現(xiàn)象被稱為「愛迪生效應(yīng)」，愛迪生本人沒有繼續(xù)探討，直到1904年英國佛萊明在橫越大西洋無線電通信發(fā)報機中，才首次利用「愛迪生效應(yīng)」研制出一種能夠充當交流電整流和無線電檢波的特殊燈泡—“熱離子閥”，從而催生了世界上第一只電子管，稱為佛萊明管（二極檢波管），也就是人們所說的真空二極管，世界進入電子時代，主要應(yīng)用的是通信和無線電領(lǐng)域。當時的佛萊明管只有檢波與整流的功用，而且并不穩(wěn)定。

第一只真空二極管

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)，形成第三個極，三極真空管被發(fā)明，讓真空管具有放大與振蕩的功能，我們通常認定1906年是真空管元年。

德·福雷斯特與真空三極管

1930年代-1950年代，水銀整流器迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電、直流電動機的傳動，此時，整流、逆變、周波變流電路都已成熟并被廣泛應(yīng)用。

1947年，美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，這個晶體管是點觸式器件，用多晶鍺做成，繼而硅材料器件同樣實現(xiàn)，一場電子技術(shù)的革命開始了。

第一個晶體管

時代的開始

1957年，美國通用電氣公司，第一個晶閘管出現(xiàn)，標志著電力電子技術(shù)的誕生，正式進入了電力電子技術(shù)階段，也就是第一代電力電子器件穩(wěn)步發(fā)展的開始。

第一代電力電子器件就是以晶閘管為代表，主要用于相控電路。這些電路十分廣泛地用在電解、電鍍、直流電機傳動、發(fā)電機勵磁等整流裝置中，與傳統(tǒng)的汞弧整流裝置相比，不僅體積小、工作可靠，而且取得了十分明顯的節(jié)能效果，因此電力電子技術(shù)的發(fā)展也越來越受到人們的重視，已普遍應(yīng)用于變頻調(diào)速、開關(guān)電源、靜止變頻等電力電子裝置中。

但是由于第一代電力電子器件通過其門極只能控制其導(dǎo)通，不能控制其關(guān)斷，所以只能是半控型器件。半控型器件在直流供電場合，要實現(xiàn)關(guān)斷必須另加電感、電容和其他輔助開關(guān)器件組成強迫換流電路，這樣造成的缺點是：變流裝置整機體積增大，重量增加、效率降低，并且工作頻率一般低于400Hz。

快速發(fā)展時期

1970年代后期，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為代表的全控型器件迅速發(fā)展，第二代電力電子器件應(yīng)運而生，其工作頻率達到兆赫級。集成電路的技術(shù)促進了器件的小型化和功能化。這些新成就為發(fā)展高頻電力電子技術(shù)提供了條件，推動電力電子裝置朝著智能化、高頻化的方向發(fā)展。

第二代電力電子器件就實現(xiàn)了既能被控制導(dǎo)通，也能控制關(guān)斷的全控型器件，使得各類電力電子變換電路及控制系統(tǒng)開始不斷涌現(xiàn)，如直流高頻斬波電路、軟開關(guān)諧振電路、脈寬調(diào)制電路等。一直沿用于今天的各種常見電源上，跨入全控器件快速發(fā)展階段。

1980年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）集合了MOSFET的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點，成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主要器件；在中低頻大功率電源中占重要地位。20世紀90年代，智能功率模塊使功率器件的發(fā)展向大功率、高頻化、高效率跨向一大步。

↓電力電子器件發(fā)展圖 ↓

不同器件各居領(lǐng)地

這些功率器件在各自不同的領(lǐng)域發(fā)揮著各自重要的作用。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)合型器件，按照控制信號情況，可以分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型器件，根據(jù)它們的這些結(jié)構(gòu)和特點應(yīng)用領(lǐng)域也不完全相同。

電力電子器件分類及特點

目前，以MOSFET、IGBT、晶閘管等為代表的主流功率器件在各自的頻率段和電源功率段占有一席之地。

功率MOSFET的問世打開了高頻應(yīng)用的大門，這種電壓控制型單極型器件，主要是通過柵極電壓來控制漏極電流，因而它有一個顯著特點就是驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，高頻特性好，最高工作頻率可達1MHz以上，適用于開關(guān)電源和高頻感應(yīng)加熱等高頻場合，且安全工作區(qū)廣，沒有二次擊穿問題，耐破壞性強。缺點是電流容量小，耐壓低，通態(tài)壓降大，不適宜大功率裝置。目前MOSFET主要應(yīng)用于電壓低于1000V，功率從幾瓦到數(shù)千瓦的場合，廣泛應(yīng)用于充電器、適配器、電機控制、PC電源、通信電源、新能源發(fā)電、UPS、充電樁等場合。

IGBT綜合了MOSFET和雙極型晶體管的優(yōu)勢，有輸入阻抗高，開關(guān)速度快，驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點，又有輸出電流密度大，通態(tài)壓降下，電壓耐壓高的優(yōu)勢，電壓一般從600V~6.5kV。IGBT優(yōu)勢通過施加正向門極電壓形成溝道，提供晶體管基極電流使IGBT導(dǎo)通，反之，若提供反向門極電壓則可消除溝道，使IGBT因流過反向門極電流而關(guān)斷。比較而言，IGBT開關(guān)速度低于MOSFET，卻明顯高于GTR；IGBT的通態(tài)壓降同GTR接近，但比功率MOSFET低很多；IGBT的電流、電壓等級與GTR接近，而比功率MOSFET高。由于IGBT的綜合優(yōu)良性能，已經(jīng)取代GTR，成為逆變器、UPS、變頻器、電機驅(qū)動、大功率開關(guān)電源，尤其是現(xiàn)在炙手可熱的電動汽車、高鐵等電力電子裝置中主流的器件。

各器件應(yīng)用電路

單管輸出功率與工作頻率的關(guān)系

各器件電壓和輸出功率水平

第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件

前面都是以Si材料為基礎(chǔ)的各種電力電子器件，隨著Si材料電力電子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，給電力電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了新的生機。相對于Si材料，使用寬禁帶半導(dǎo)體材料制造新一代的電力電子器件，可以變得更小、更快、更可靠和更高效。這將減少電力電子元件的質(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，使得電子電子器件使用更少的能量卻可以實現(xiàn)更高的性能。下圖中對Si、4H-SiC以及GaN的幾個重要參數(shù)性能進行了對比?；谶@些優(yōu)勢，寬禁帶半導(dǎo)體在家用電器、電力電子設(shè)備、新能源汽車、工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、高壓直流輸電設(shè)備、移動基站等系統(tǒng)中都具有廣泛的應(yīng)用前景。

不同半導(dǎo)體材料的參數(shù)對比

其中：

禁帶寬度Eg增加：反向漏電減小，工作溫度高，抗輻射能力強；

更高的臨界電場：導(dǎo)通電阻減小，阻斷電壓增大；

熱導(dǎo)率：高的熱導(dǎo)率，代表熱阻小，熱擴散能力好，功率密度高；

更快的飽和漂移速率：開關(guān)速度快，工作效率高；

市場現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域

目前，國際電力電子市場以年均15%的速度增長，電力電子器件的主要供應(yīng)商集中在美國、日本以及歐洲，如通用電器、東芝、英飛凌等。而且以硅基功率MOSFET和IGBT為代表的場控型器件占據(jù)國際市場的主導(dǎo)地位，其中IGBT更是有高達30%的年均增長率。而SiC和GaN等新型材料電力電子器件，受到時間、技術(shù)成熟度和成本的制約，尚處于市場開拓初期。

我國的電力電子器件市場在全球市場中占據(jù)的份額逐年增長，年增長率接近20%，已成為全球最大的功率電力電子器件需求市場。電力電子器件在當今主要的應(yīng)用領(lǐng)域包括電力系統(tǒng)、消費電子、計算機、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制、汽車電子等。其中前三個領(lǐng)域為電力電子器件的重要應(yīng)用領(lǐng)域，占據(jù)著最大的市場份額。

功率器件主要應(yīng)用產(chǎn)品市場

(中國功率器件行業(yè)產(chǎn)銷需求與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告，摘自前瞻產(chǎn)業(yè)研究院)

新材料應(yīng)用

傳統(tǒng)的電力電子器件一般都是以硅（Si）半導(dǎo)體材料制成的。近年來，出現(xiàn)了很多以砷化鎵（GaAs）、碳化硅（SiC）、磷化銦（InP）及鍺化硅（SiGe）等性能優(yōu)良的新型化合物半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)制成的電力電子器件。

①砷化鎵（GaAs）：繼硅之后最成熟的半導(dǎo)體材料。具有很好的耐高溫特性，有利于模塊小型化，從而減小寄生電容提高開關(guān)頻率。

②碳化硅（SiC）：目前發(fā)展最典型的寬禁帶半導(dǎo)體之一，被人稱為第三代半導(dǎo)體，可制作出性能更加優(yōu)異的高溫、高頻、高功率、高速度、抗輻射器件。

③磷化銦（InP）：繼Si與GaAs后的新一代功能材料，具有高耐壓、更高的熱導(dǎo)率、高場下更高的電子遷移速度?？勺鳛楦咚佟⒏哳l微波器件的材料。

④鍺化硅（SiGe）：一種高頻半導(dǎo)體材料，既有Si工藝的集成度和成本優(yōu)勢，又有GaAs和InP速度方面的優(yōu)點。

⑤氮化鎵（GaN）：第三代半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、耐高溫、抗輻射、耐酸堿、高強度和高硬度等特性，是現(xiàn)在世界上人們最感興趣的半導(dǎo)體材料之一。

現(xiàn)代電力電子器件發(fā)展趨勢

現(xiàn)代電力電子器件仍在往大功率、易驅(qū)動和高頻化方向發(fā)展，模塊化是向高功率密度發(fā)展的重要一步。當前電力電子器件的主要發(fā)展趨勢如下：

①IGBT（絕緣柵雙極晶體管）：N溝道增強型場控復(fù)合器件，兼具MOSFET和雙極性器件的優(yōu)點。

②MCT（MOS控制晶閘管）：新型MOS與雙極復(fù)合型器件，采用集成電路工藝，在普通晶閘管結(jié)構(gòu)中制作大量MOS器件，通過MOS器件的通斷來控制晶閘管的通斷。

③IGCT（集成門極板換流晶閘管）：用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導(dǎo)體器件。

④IEGT（電子注入增強柵晶體管）：耐壓達4KV以上的IGBT系列電力電子器件，通過采取增強注入的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了低通態(tài)電壓，使大容量電力電子器件取得飛躍性發(fā)展。

⑤IPEM（集成電力電子模塊）：將電力電子裝置的諸多器件集成在一起的模塊，實現(xiàn)了電力電子技術(shù)的智能化和模塊化。

⑥PEBB（電力電子模塊）：在IPEM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的可處理電能集成的器件或模塊。