功率器件的发展过程
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编排 | strongerHuang
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功率器件，也被称为电力电子器件。简单来说，就是具有处理高电压/大电流能力的功率型半导体器件。
由于早期主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面，因此得名“电力电子器件”。
Q：功率处理怎么理解？
A：一般指的是变频、变压、变流、功率管理等电路处理动作。
Q：高电压有多高？大电流有多大？
A：电压处理范围通常为数百伏以上，电流为数十至数千安。
Q：典型的功率器件有哪些？
A：Diode、GTR、Thyristor、SCR、GTO、MOSFET 、IGBT、MCT、IGCT、IECT、IPEM、PEBB等。
Q：功率器件这么多，如何分类？
A：按照导通、关断的受控情况可分为不可控、半控和全控型功率器件；
按照载流子导电情况可分为双极型、单极型和复合型功率器件；
按照控制信号情况，可以分为电流驱动型和电压驱动型功率器件。
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1904年英国佛莱明在「爱迪生效应」的基础上研制出了“热离子阀”， 从而催生了世界上第一只电子管，称为佛莱明管（真空二极检波管），世界进入电子管时代。当时的佛莱明管只有检波与整流的作用，性能并不稳定，主要用在通信和无线电领域。
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1947年，贝尔实验室发明了由多晶锗构成的点触式晶体管，后又在硅材料上得到验证，一场电子技术的革命开始了。
1957年，美国通用电气公司发明了晶闸管，标志着电力电子技术的诞生，正式进入了以晶闸管为代表的第一代电力电子技术发展阶段。当时的晶闸管主要用于相控电路，工作频率一般低于400Hz，较水银整流器，具有体积小、可靠性高、节能等优点。但只能控制导通，不能控制关断的半控型特点在直流供电场合的使用显得很鸡肋，必须要加上电感、电容以及其他开关件才能强制换流，从而导致变流装置整机体积增大、效率降低等问题的出现。
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1970年代，既能控制导通，又能控制关断的全控型功率器件在集成电路技术的发展过程中应运而生，如门极可关断晶闸管GTO、电力双极型晶体管BJT、电力场效应晶体管功率MOSFET等，其工作频率达到兆赫级，常被应用于直流高频斩波电路、软开关谐振电路、脉宽调制电路等。
到了1980年代后期，绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）出现，兼具MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快和BJT通态压降小、载流能力大、耐压高的优点，因此在中低频率、大功率电源中运用广泛。
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随着以硅材料为基础的功率器件逐渐接近其理论极限值，利用宽禁带半导体材料制造的电力电子器件显示出比Si和GaAs更优异的特性，给功率半导体产业的发展带来了新的生机。
2014年，美国奥巴马政府连同企业一道投资1.4亿美元在NCSU成立TheNext Generation Power Electronics Institute，发展新一代宽禁带电力半导体器件。
相对于Si材料，使用宽禁带半导体材料制造新一代的功率器件，可以变得更小、更快、更可靠和更高效。这将减少功率器件的质量、体积以及生命周期成本，允许设备在更高的温度、电压和频率下工作，使得功率器件使用更少的能量却可以实现更高的性能。
图源：360图书馆
如图展示了目前最典型的宽禁带功率器件的4个主要参数对比情况。
其中：
禁带宽度Eg增加：反向漏电减小，工作温度高，抗辐射能力强；
更高的临界电场：导通电阻减小，阻断电压增大；
热导率：高的热导率，代表热阻小，热扩散能力好，功率密度高；
更快的饱和漂移速率：开关速度快，工作效率高。
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