半導體（Semiconductor）是現代電子信息社會的物理基石，并已成為推動各種革命性變革和創新的強大驅動力，這點已是當前的社會共識。而功率器件正是半導體大產業的細分類別之一，在從電網、高鐵等高功率裝備、設備，到家電、數碼產品、手機等中低功率日常消費電子產品中，功率器件都扮演著不可或缺的電能轉換、供給的角色。

功率器件也稱電子電力器件，是主要用于電氣工程、電力系統中，根據負載的要求處理電路中電力轉換的器件，從而使電氣設備得到最佳的電能供給和高效、安全、經濟的運行。與普通的半導體器件一樣，目前功率器件所采用的主要材料仍然是硅，但由于硅基材料自身的物理屬性限制，在電力轉換領域以碳化硅為代表的第三代半導體材料制作的功率器件正逐漸嶄露頭角。半導體產業的發展始于功率器件，因此我們從半導體材料的發展歷程講起。

1. MCT (MOS Control ledThyristor)：MOS控制晶閘管

MCT的等效電路圖

MCT 是一種新型MOS 與雙極復合型器件。如上圖所示。MCT是將 MOSFET 的高阻抗、低驅動圖 MCT 的功率、快開關速度的特性與晶閘管的高壓、大電流特型結合在一起，形成大功率、高壓、快速全控型器件。實質上MCT 是一個MOS 門極控制的晶閘管。它可在門極上加一窄脈沖使其導通或關斷，它由無數單胞并聯而成。它與GTR，MOSFET， IGBT，GTO 等器件相比，有如下優點：

(1)電壓高、電流容量大，阻斷電壓已達3 000V，峰值電流達1 000 A，最大可關斷電流密度為6 000kA/ m2;

(2)通態壓降小、損耗小，通態壓降約為11V;

(3)極高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已達 20 kV/s ，di/dt為2 kA/s;

(4)開關速度快， 開關損耗小，開通時間約200ns，1 000 V 器件可在2 s 內關斷;

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2. IGCT( Intergrated Gate Commutated Thyristors)

IGCT 是在晶閘管技術的基礎上結合 IGBT 和GTO 等技術開發的新型器件，適用于高壓大容量變頻系統中，是一種用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導體器件。

IGCT 是將GTO 芯片與反并聯二極管和門極驅動電路集成在一起，再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接，結合了晶體管的穩定關斷能力和晶閘管低通態損耗的優點。在導通階段發揮晶閘管的性能，關斷階段呈現晶體管的特性。IGCT 芯片在不串不并的情況下，二電平逆變器功率0.5~ 3 MW，三電平逆變器 1~ 6 MW;若反向二極管分離，不與IGCT 集成在一起，二電平逆變器功率可擴至4 /5 MW，三電平擴至 9 MW。

目前，IGCT 已經商品化， A B B 公司制造的 IGCT 產品的最高性能參數為4[1] 5 kV / 4 kA ，最高研制水平為6 kV/ 4 kA。1998 年，日本三菱公司也開發了直徑為88 mm 的GCT 的晶閘管IGCT 損耗低、 開關快速等優點保證了它能可靠、高效率地用于300 kW~ 10 MW 變流器，而不需要串聯和并聯。

3. IEGT( Injection Enhanced Gate Transistor) 電子注入增強柵晶體管

IEGT 是耐壓達 4 kV 以上的 IGBT 系列電力電子器件，通過采取增強注入的結構實現了低通態電壓，使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發展。IEGT 具有作為MOS 系列電力電子器件的潛在發展前景，具有低損耗、高速動作、高耐壓、有源柵驅動智能化等特點，以及采用溝槽結構和多芯片并聯而自均流的特性，使其在進一步擴大電流容量方面頗具潛力。另外，通過模塊封裝方式還可提供眾多派生產品，在大、中容量變換器應用中被寄予厚望。日本東芝開發的 IECT 利用了電子注入增強效應，使之兼有 IGBT 和 GTO 兩者的優點: 低飽和壓降，安全工作區(吸收回路容量僅為 GTO 的十分之一左右) ，低柵極驅動功率(比 GT O 低兩個數量級)和較高的工作頻率。器件采用平板壓接式電機引出結構，可靠性高， 性能已經達到4.5 kV/ 1 500A 的水平。

4. PE B B(Power Electric Building Block)?

典型的PE B B

電力電子積木PE B B ( Pow er Elect ric Building Block ) 是在IPEM 的基礎上發展起來的可處理電能集成的器件或模塊。PE B B 并不是一種特定的半導體器件，它是依照最優的電路結構和系統結構設計的不同器件和技術的集成。典型的PE B B 上圖所示。雖然它看起來很像功率半導體模塊，但PE B B 除了包括功率半導體器件外，還包括門極驅動電路、電平轉換、傳感器、保護電路、電源和無源器件。PE B B 有能量接口和通訊接口。通過這兩種接口，幾個PE B B 可以組成電力電子系統。這些系統可以像小型的DC- DC 轉換器一樣簡單，也可以像大型的分布式電力系統那樣復雜。一個系統中， PEB B的數量可以從一個到任意多個。多個 PE B B 模塊一起工作可以完成電壓轉換、能量的儲存和轉換、陰抗匹配等系統級功能，PE B B 最重要的特點就是其通用性。

5.碳化硅與碳化硅 ( SiC ) 功率器件

在用新型半導體材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅 ( SiC ) 功率器件。它的性能指標比砷化鎵器件還要高一個數量級，碳化硅與其他半導體材料相比，具有下列優異的物理特點: 高的禁帶寬度，高的飽和電子漂移速度，高的擊穿強度，低的介電常數和高的熱導率。上述這些優異的物理特性，決定了碳化硅在高溫、高頻率、高功率的應用場合是極為理想的半導體材料。在同樣的耐壓和電流條件下，SiC器件的漂移區電阻要比硅低200倍，即使高耐壓的 SiC場效應管的導通壓降，也比單極型、雙極型硅器件的低得多。而且，SiC器件的開關時間可達10nS量級，并具有十分優越的 FBSOA。

SiC可以用來制造射頻和微波功率器件，各種高頻整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。SiC高頻功率器件已在Motorola公司研發成功，并應用于微波和射頻裝置。GE公司正在開發SiC功率器件和高溫器件(包括用于噴氣式引擎的傳感器)。西屋公司已經制造出了在26GHz頻率下工作的甚高頻的MESFET。A B B公司正在研制高功率、高電壓的SiC整流器和其他SiC低頻功率器件，用于工業和電力系統。

自功率IC出現以后，功率半導體市場從單一的功率器件產品，豐富為功率器件、功率集成電路產品并存，而又由于各代功率半導體產品在自身結構體系內不斷迭代、在不同的應用領域及生產成本方面各有優勢，當前整個功率半導體市場呈現出多代產品共存的局面。

未來，隨著半導體加工技術及功率半導體技術的不斷發展，電力電子技術也在不斷向前發展，并表現出如下特征：1、降低產品的重量、體積；2、減少電力轉換過程中的損耗；3、降低生產成本，縮短研發周期；4、降低產品的失效率，提升產品的可靠性；5、進一步提升功率密度和開關頻率，以適應更多新興發展方向；6、多代產品依照其功能、價格特點，依舊保持共存局面。

編輯：黃飛

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