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功率半导体器件的发展

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功率半导体器件是电力电子技术的基础,从1958年美国通用电气公司研制出世界上个工业用普通晶闸管开始,电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由功率半导体器件构成的变流器时代。功率半导体器件的发展经历了以下阶段:

  大功率二极管产生于20世纪40年代,是功率半导体器件中结构简单、使用广泛的一种器件。目前已形成整流二极管(Rectifier Diode)、快恢复二极管(Fast Recovery Diode—FRD)和肖特基二极管(Schottky Barrier Diode—SBD)等3种主要类型。

  晶闸管(Thyristor, or Silicon Controlled Rectifier—SCR)可以算作是代电力电子器件,它的出现使电力电子技术发生了根本性的变化。但它是一种无自关断能力的半控器件,应用中须考虑关断方式问题,电路结构上须设置关断(换流)电路,大大复杂了电路结构、增加了成本、限制了在频率较高的电力电子电路中的应用。此外晶闸管的开关频率也不高,难于实现变流装置的高频化。晶闸管的派生器件有逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。

  20世纪70年代出现了称之为第 二代的自关断器件,如门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor—GTO),大功率双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor—BJT, or Giant Transistor—GTR),功率场效应管(Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor—Power MOSFET)等。

  20世纪80年代出现了以绝缘栅极双极型晶体管(Insulated-gate Bipolar Transistor—IGBT, or IGT)为代表的第三代复合导电机构的场控半导体器件。

  20世纪80年代后期,功率半导体器件的发展趋势为模块化、集成化,按照电力电子电路的各种拓朴结构,将多个相同的功率半导体器件或不同的功率半导体器件封装在一个模块中,这样可缩小器件体积、降低成本、提高可靠性。

  值得指出的是新的一代器件的出现并不意味着老的器件被淘汰,世界上SCR产量仍占全部功率半导体器件总数的一半,是目前高压、大电流装置中的元件。


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