從1958年美國通用電氣（GE）公(gong)司(si)研(yan)製(zhi)出(chu)世(shi)界(jie)上(shang)第(di)一(yi)個(ge)產(chan)業(ye)用(yong)普(pu)通(tong)晶(jing)閘(zha)管(guan)開(kai)始(shi)

，電(dian)能(neng)的(de)變(bian)換(huan)和(he)控(kong)製(zhi)從(cong)旋(xuan)轉(zhuan)的(de)變(bian)流(liu)機(ji)組(zu)和(he)靜(jing)止(zhi)的(de)離(li)子(zi)變(bian)流(liu)器(qi)進(jin)進(jin)由(you)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)構(gou)成(cheng)的(de)變(bian)流(liu)器(qi)時(shi)代(dai)
，這(zhe)標(biao)誌(zhi)著(zhe)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)的(de)誕(dan)生(sheng)。到(dao)了(le)70年代，晶閘管開始形成由低壓小電流到高壓大電流的係列產品。同時，非對稱晶閘管、逆導晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等晶閘管派生器件相繼問世，廣泛應用於各種變流裝置。由於它們具有體積小、重量輕、功耗小、效率高
、響應快等優點，其研製及應用得到了飛速發展。

 

 

由(you)於(yu)普(pu)通(tong)晶(jing)閘(zha)管(guan)不(bu)能(neng)自(zi)關(guan)斷(duan)，屬(shu)於(yu)半(ban)控(kong)型(xing)器(qi)件(jian)
，因(yin)而(er)被(bei)稱(cheng)作(zuo)第(di)一(yi)代(dai)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)。在(zai)實(shi)際(ji)需(xu)要(yao)的(de)推(tui)動(dong)下(xia)，隨(sui)著(zhe)理(li)論(lun)研(yan)究(jiu)和(he)工(gong)藝(yi)水(shui)平(ping)的(de)不(bu)斷(duan)進(jin)步(bu)，電(dian)力(li)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)在(zai)容(rong)量(liang)和(he)類(lei)型(xing)等(deng)方(fang)麵(mian)得(de)到(dao)了(le)很(hen)大(da)發(fa)展(zhan)，先(xian)後(hou)出(chu)現(xian)了(le)GTR
、GTO、功率MOSET等自關斷
、全控型器件，被稱為第二代電力電子器件。近年來
，電力電子器件正朝著複合化、模塊化及功率集成的方向發展，如IGPT

、MCT、HVIC等就是這種發展的產物。

 

 

整流管產生於本世紀40年代，是電力電子器件中結構最簡單、使用最廣泛的一種器件。目前已形成普通整流管、快恢複整流管和肖特基整流管等三種主要類型。其中普通整流管的特點是：漏電流小
、通態壓降較高（1 0～1 8V）、反向恢複時間較長（幾十微秒）
、可獲得很高的電壓和電流定額。多用於牽引
、充電
、電鍍等對轉換速度要求不高的裝置中。較快的反向恢複時間（幾百納秒至幾微秒）是快恢複整流管的明顯特點，但是它的通態壓降卻很高（1 6～4 0V）。它主要用於斬波、逆變等電路中充當旁路二極管或阻塞二極管。肖特基整流管兼有快的反向恢複時間（幾乎為零）和低的通態壓降（0.3～0.6V）的優點，不過其漏電流較大
、耐壓能力低
，常用於高頻低壓儀表和開關電源。目前的研製水平為:普通整流管（8000V/5000A/400Hz）；快恢複整流管（6000V/1200A/1000Hz）；肖特基整流管（1000V/100A/200kHz）。

 

電力整流管對改善各種電力電子電路的性能、降(jiang)低(di)電(dian)路(lu)損(sun)耗(hao)和(he)進(jin)步(bu)電(dian)源(yuan)使(shi)用(yong)效(xiao)率(lv)等(deng)方(fang)麵(mian)都(dou)具(ju)有(you)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)作(zuo)用(yong)。隨(sui)著(zhe)各(ge)種(zhong)高(gao)性(xing)能(neng)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)的(de)出(chu)現(xian)，開(kai)發(fa)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)高(gao)頻(pin)性(xing)能(neng)的(de)電(dian)力(li)整(zheng)流(liu)管(guan)顯(xian)得(de)非(fei)常(chang)必(bi)要(yao)。目(mu)前(qian)，人(ren)們(men)已(yi)通(tong)過(guo)新(xin)奇(qi)結(jie)構(gou)的(de)設(she)計(ji)和(he)大(da)規(gui)模(mo)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)製(zhi)作(zuo)工(gong)藝(yi)的(de)運(yun)用(yong)，研(yan)製(zhi)出(chu)集(ji)PIN整流管和肖特基整流管的優點於一體的具有MPS、SPEED和SSD等結構的新型高壓快恢複整流管。它們的通態壓降為1V左右
，反向恢複時間為PIN整流管的1/2，反向恢複峰值電流為PIN整流管的1/3。

 

 

晶閘管誕生後，其結構的改進和工藝的改革，為新器件的不斷出現提供了條件。 1964年，雙向晶閘管在GE公司開發成功，應用於調光和馬達控製；1965年

，小功率光觸發晶閘管出現

，為其後出現的光耦合器打下了基礎
； 60年代後期，大功率逆變晶閘管問世，成為當時逆變電路的基本元件
； 1974年，逆導晶閘管和非對稱晶閘管研製完成。

 

普通晶閘管廣泛應用於交直流調速、調光
、調溫等低頻（400Hz以下）領域
，運用由它所構成的電路對電網進行控製和變換是一種簡便而經濟的辦法。不過，這種裝置的運行會產生波形畸變和降低功率因數、影響電網的質量。目前水平為12kV/1kA和6500V/4000A。

 

雙向晶閘管可視為一對反並聯的普通晶閘管的集成
，常用於交流調壓和調功電路中。正、負脈衝都可觸發導通，因而其控製電路比較簡單。其缺點是換向能力差、觸發靈敏度低

、關斷時間較長，其水平已超過2000V/500A。

 

光控晶閘管是通過光信號控製晶閘管觸發導通的器件，它具有很強的抗幹擾能力

、良好的高壓盡緣性能和較高的瞬時過電壓承受能力，因而被應用於高壓直流輸電（HVDC）、靜止無功功率補償（SVC）等領域。其研製水平大約為8000V/3600A。

 

逆變晶閘管因具有較短的關斷時間（10～15s）而主要用於中頻感應加熱。在逆變電路中
，它已讓位於GTR、GTO、IGBT等新器件。目前，其最大容量介於2500V/1600A/1kHz和800V/50A/20kHz的範圍之內。

 

非對稱晶閘管是一種正
、反(fan)向(xiang)電(dian)壓(ya)耐(nai)量(liang)不(bu)對(dui)稱(cheng)的(de)晶(jing)閘(zha)管(guan)。而(er)逆(ni)導(dao)晶(jing)閘(zha)管(guan)不(bu)過(guo)是(shi)非(fei)對(dui)稱(cheng)晶(jing)閘(zha)管(guan)的(de)一(yi)種(zhong)特(te)例(li)，是(shi)將(jiang)晶(jing)閘(zha)管(guan)反(fan)並(bing)聯(lian)一(yi)個(ge)二(er)極(ji)管(guan)製(zhi)作(zuo)在(zai)同(tong)一(yi)管(guan)芯(xin)上(shang)的(de)功(gong)率(lv)集(ji)成(cheng)器(qi)件(jian)。與(yu)普(pu)通(tong)晶(jing)閘(zha)管(guan)相(xiang)比(bi)，它(ta)具(ju)有(you)關(guan)斷(duan)時(shi)間(jian)短(duan)、正向壓降小、額定結溫高、高溫特性好等優點
，主要用於逆變器和整流器中。目前，國內有廠家生產3000V/900A的非對稱晶閘管。

 

1964年，美國第一次試製成功了500V/10A的GTO。在此後的近10年內

，GTO的容量一直停留在較小水平，隻在汽車點火裝置和電視機行掃描電路中進行試用。自70年代中期開始
，GTO的研製取得突破
，相繼出世了1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A的產品

，目前已達9kV/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。GTO有對稱、非對稱和逆導三種類型。與對稱GTO相比，非對稱GTO通態壓降小

、抗浪湧電流能力強、易於進步耐壓能力（3000Ｖ以上）。逆導型GTO是在同一芯片上將GTO與整流二極管反並聯製成的集成器件，不能承受反向電壓
，主要用於中等容量的牽引驅動中。

 

在當前各種自關斷器件中，GTO容量最大、工作頻率最低（1～2kHz）。GTO是電流控製型器件，因而在關斷時需要很大的反向驅動電流
； GTO通態壓降大

、dV/dT及di/dt耐量低，需要龐大的吸收電路。目前，GTO固然在低於2000V的某些領域內已被GTR和IGRT等所替換，但它在大功率電力牽引中有明顯上風
；今後
，它也必將在高壓領域占有一席之地。

 

 

GTR是一種電流控製的雙極雙結電力電子器件，產生於本世紀70年代，其額定值已達1800V/800A/2kHz
、1400v/600A/5kHz

、600V/3A/100kHz。它既具備晶體管的固有特性，又增大了功率容量
，因此，由它所組成的電路靈活

、成熟、開關損耗小、開關時間短，在電源
、電機控製、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應用廣泛。GTR的缺點是驅動電流較大
、耐浪湧電流能力差

、易受二次擊穿而損壞。在開關電源和UPS內，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。

 

 

功率MOSFET是一種電壓控製型單極晶體管，它是通過柵極電壓來控製漏極電流的，因而它的一個明顯特點是驅動電路簡單、驅動功率小；僅由多數載流子導電
，無少子存儲效應
，高頻特性好，工作頻率高達100kHz以上，為所有電力電子器件中頻率之最，因而最適合應用於開關電源
、高頻感應加熱等高頻場合；沒有二次擊穿題目，安全工作區廣，耐破壞性強。功率MOSFET的缺點是電流容量小
、耐壓低、通態壓降大，不適宜運用於大功率裝置。目前製造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。

 

 

IGBT是由美國GE公司和RCA公司於1983年首先研製的
，當時容量僅500V/20A
，且存在一些技術題目。經過幾年改進，IGBT於1986年開始正式生產並逐漸係列化。至90年代初，IGBT已開發完成第二代產品。目前
，第三代智能IGBT已經出現
，科學家們正著手研究第四代溝槽柵結構的IGBT。IGBT可視為雙極型大功率晶體管與功率場效應晶體管的複合。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斷。IGBT集GTR通態壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅動功率小、開關速度快、輸進阻抗高
、熱穩定性好的優點於一身，因此備受人們青睞。它的研製成功為進步電力電子裝置的性能，特別是為逆變器的小型化、高效化、低噪化提供了有利條件。

 

比較而言，IGBT的開關速度低於功率MOSFET，卻明顯高於GTR
；IGBT的通態壓降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多
；IGBT的電流、電壓等級與GTR接近，而比功率MOSFET高。目前，其研製水平已達4500V/1000A。由於IGBT具有上述特點
，在中等功率容量（600V以上）的UPS
、開關電源及交流電機控製用PWM逆變器中，IGBT已逐步替換GTR成為核心元件。另外，IR公司已設計出開關頻率高達150kHz的WARP係列400～600VIGBT，其開關特性與功率MOSFET接近，而導通損耗卻比功率MOSFET低得多。該係列IGBT有看在高頻150kHz整流器中取代功率MOSFET，並大大降低開關損耗。

 

IGBT的發展方向是進步耐壓能力和開關頻率
、降低損耗以及開發具有集成保護功能的智能產品。

 

7，MOS控製晶閘管（MCT）

 

MCT最早由美國GE公司研製，是由MOSFET與晶閘管複合而成的新型器件。每個MCT器件由成千上萬的MCT元組成，而每個元又是由一個PNPN晶閘管、一個控製MCT導通的MOSFET和一個控製MCT關斷的MOSFET組成。MCT工作於超掣住狀態，是一個真正的PNPN器件，這正是其通態電阻遠低於其它場效應器件的最主要原因。MCT既具備功率MOSFET輸進阻抗高
、驅動功率小

、開關速度快的特性，又兼有晶閘管高電壓、大電流、低壓降的優點。其芯片連續電流密度在各種器件中最高
，通態壓降不過是IGBT或GTR的1/3
，而開關速度則超過GTR。此外，由於MCT中的MOSFET元能控製MCT芯片的全麵積通斷，故MCT具有很強的導通di/dt和阻斷dV/dt能力，其值高達2000A/ s 和2000V/ s。其工作結溫亦高達150～200℃。

　

已研製出阻斷電壓達4000V的MCT，75A/1000VMCT已應用於串聯諧振變換器。隨著性能價格比的不斷優化
，MCT將逐漸走進應用領域並有可能取代高壓GTO

，與IGBT的競爭亦將在中功率領域展開。

 

 

PIC是電力電子器件技術與微電子技術相結合的產物，是機電一體化的關鍵接口元件。將功率器件及其驅動電路、保護電路
、接口電路等外圍電路集成在一個或幾個芯片上
，就製成了PIC。一般以為，PIC的額定功率應大於1W。功率集成電路還可以分為高壓功率集成電路（HVIC）
、智能功率集成電路（SPIC）和智能功率模塊（IPM）。

 

HVIC是多個高壓器件與低壓模擬器件或邏輯電路在單片上的集成，由於它的功率器件是橫向的、電流容量較小，而控製電路的電流密度較大，故常用於小型電機驅動、平板顯示驅動及長途電話通訊電路等高電壓
、小電流場合。已有110V/13A和550V/0.5A、80V/2A/200kHz以及500V/600mA的HVIC分別用於上述裝置。

 

SPIC是由一個或幾個縱型結構的功率器件與控製和保護電路集成而成，電流容量大而耐壓能力差
，適合作為電機驅動、汽車功率開關及調壓器等。

 

IPM除了集成功率器件和驅動電路以外

，還集成了過壓、過流
、過熱等故障監測電路，並可將監測信號傳送至CPU，以保證IPM自身在任何情況下不受損壞。當前

，IPM中的功率器件一般由IGBT充當。由於IPM體積小、可靠性高、使用方便
，故深受用戶喜愛。IPM主要用於交流電機控製
、家用電器等。已有400V/55kW/20kHzIPM麵市。

 

自1981年美國試製出第一個PIC以來，PIC技術獲得了快速發展；今後，PIC必將朝著高壓化
、智能化的方向更快發展並進進普遍實用階段。

 

 

以上所述各種電力電子器件一般都是由矽（Si）半導體材料製成的。除此之外，近年來還出現了很多性能優良的新型化合物半導體材料

，如砷化镓（GaAs）、碳化矽（SiC）、磷化銦（InP）及鍺化矽（SiGe）等。由它們作為基礎材料製成的電力電子器件正不斷湧現。

 

 

GaAs是一種很有發展遠景的半導體材料。與Si相比
，GaAs有兩個獨特的優點：①禁帶寬度能量為1.4eV，較Si的1.1eV要高。正因如此，GaAs整流元件可在350℃的高溫下工作（Si整流元件隻能達200℃），具有很好的耐高溫特性
，有利於模塊小型化；②GaAs材料的電子遷移率為8000cm2/Vs
，是Si材料的5倍，因而同容量的器件幾何尺寸更小，從而可減小寄生電容，進步開關頻率（1MHz以上）。　　

 

當然，由於GaAs材料禁帶寬度大
，也帶來正向壓降比較大的不利因素，不過其電子遷移率可在一定程度上補償這種影響。

 

GaAs整流元件在Motorola公司的一些老用戶中間
，廣泛用於製作各種輸出電壓（12V

、24V、36V、48V）的DC電源，用於通訊設備和計算機中。預計，隨著200V耐壓GaAs整流器件生產工藝技術的改進，器件將獲得優化
，應用領域將會不斷擴大。

 

 

SiC是目前發展最成熟的寬禁帶半導體材料，作為Si和GaAs的重要補充，可製作出性能更加優異的高溫（300～500℃）、高頻、高功率、高速度、抗輻射器件。SiC高功率
、高壓器件對於公電輸運和電動汽車的節能具有重要意義。　　

 

已用SiC材料製作出普通晶閘管
、雙極晶體管（BJT）
、IGBT、功率MOSFET（175V/2A、600V/1 8A）

、SIT（600MHz/225W/200V/fmax=4GHz）、PN結二極管（300K溫度下耐壓達4 5kV）和肖特基勢壘二極管（300K溫度下耐壓達1kV），廣泛運用於火車機頭、有軌電車、產業發電機和高壓輸電變電裝置中。

 

 

InP是一種ⅢⅤ族化合物半導體材料，是繼Si和GaAs之後的新一代電子功能材料。它具有更高的擊穿電場、更高的熱導率、高場下更高的電子均勻速度，且表麵複合速率比GaAs低幾乎3個數目級，使得InPHBT可在低電流下工作，可作為高速、高頻微波器件的材料
，頻率可達340GHz。

 

 

據報道，德國TenicTelefunkenMicroelectronic公司計劃於1998年一季度開始批量生產無線應用的SiGe芯片，其截止頻率為50GHz～110GHz。這標誌著SiGe器件正式進進應用領域。

 

dianlidianziqijiandeyingyongyishenjindaochanyeshengchanheshehuishenghuodegegefangmian，shijidexuyaobijiangjidadituidongqijiandebuduanchuangxin。weidianzixuezhongdechaodaguimojichengdianlujishujiangzaidianlidianziqijiandezhizuozhongdedaogengguangfandeyingyong
；具有高載流子遷移率、強的熱電傳導性以及寬帶隙的新型半導體材料
，如砷化镓
、碳化矽
、人造金剛石等的運用將有助於開發新一代高結溫、高頻率、高動態參數的器件。從結構看，器件將複合型、模塊化
；從性能看，發展方向將是進步容量和工作頻率
、降低通態壓降、減小驅動功率、改善動態參數和多功能化
；從應用看，MPS電力整流管
、MOSFET、IGBT、MCT是最有發展遠景的器件。

 

今後研製工作的重點將是進一步改善MPS的軟反向恢複特性
，進步IGBT和MCT的開關頻率和額定容量


，研製智能MOSFET和IGBT模塊，發展功率集成電路以及其它功率器件。GTO將繼續在超高壓、大功率領域發揮作用；功率MOSFET在高頻
、低壓、小功率領域具有竟爭上風；超高壓（8000V以上）、大電流普通晶閘管在高壓直流輸電和靜止無功功率補償裝置中的作用將會得到延續，而低壓普通晶閘管和GTR則將逐步被功率MOSFET（600V以下）和IGBT（600V以上）所代替
； MCT最具發展前途。可以預見

，電力電子器件的發展將會日新月異
，電力電子器件的未來將布滿生機。