第2章 电力电子器件

2.1 概述

2.1.1 电力电子器件的发展

电力电子器件是由半导体器件发展而来的。自从1950年半导体器件问世以来，它从两个分支迅猛发展：一个是以集成电路为核心的微电子集成控制单元器件；另一个是以大功率半导体器件为核心的电力功率单元器件。前者单元器件控制功能越来越强；后者单元器件功率则越来越大。前者目前已发展成为智能化的控制单元；后者也发展成为电能变换与传输的功率单元。近年来，随着应用领域的不断扩大，要求集成电路功率化、功率电路集成化，又把半导体器件的这两个单元有机地结合起来，于是出现了智能电力模块（Intelligent Power Module，IPM）。它实际上就是电力集成电路（Power Integrated Circuit，PIC）的一种，所以IPM有时还称为智能电力集成电路（Smart Power Integrated Circuit，SPIC）。现在的变频器就是典型的SPIC的应用。图2-1给出了半导体器件在变频器中的应用过程框图。

图2-1 半导体器件在变频器中应用过程框图

2.1.2 电力电子器件的分类

图2-2电力电子器件“树”

电力电子器件种类繁多，发展迅速，技术内涵相当丰富。现从3个角度出发对其进行分类，如图2-2所示的电力电子器件“树”对其中的二极管我们不做说明外，其余均为三端器件。下面的分类是针对三端器件而言的。

①根据器件开关特性，可分为两大类型：半控型器件和全控型器件。通过控制极^[1]信号只能控制其导通而不能控制其关断的器件称为半控型器件；通过控制极信号既能控制其导通又能控制其关断的器件，称为全控型器件。图2-2中普通晶闸管[TriodeThyristor曾称为硅可控整流器或可控硅（Silicon Controlled Rectifier，SCR）]^[2]及其派生器件，如逆导晶闸管（Reverse Conducting Triode Thyristor，RCT）、不对称晶闸管（Asymmetrical Triode Thyristor）和双向晶闸管（Bidirectional Triode Thyristor，TRIAC）为半控型器件。其余三端器件均为全控型器件。

②根据半导体器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，可以分成单极型、双极型和混合型三种类型。凡由一种载流子参与导电的称为单极型器件，图2-2中MOS场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）、静电感应晶体管（Static In-duction Transistor，SIT）属单极型器件；凡由电子和空穴两种载流子参与导电的称为双极型器件，图2-2中SCR及其派生器件、双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）等属于双极型器件。值得强调的是，静电感应晶闸管（Static Induction Thyristor，SITH）也是双极型器件（与SIT不同）；由单极型和双极型两种器件组成的复合器件称为混合型器件，图中绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）和MOS门控晶闸管（MOS Gate Control Thyris-tor，MCT）属于混合型器件。

除上述两种分类方法外，根据控制极（包括门极、栅极或基极）信号的不同性质，电力电子器件还被分成电流控制型和电压控制型两种类型。电流控制型器件一般通过从控制极注入或抽出控制电流的方式来实现对导通或关断的控制；而电压控制型器件是指利用场控原理控制的电力电子器件，其导通或关断是由控制极上的电压信号控制的，控制极功率极小。

图2-2所示的电力电子器件“树”中，单极性器件MOSFET和SIT都是电压控制型的。双极型器件基本上是电流控制型的。

单极型器件只有一种载流子参与导电，是电压控制型器件，具有控制功率小、驱动电路相对简单、工作频率高、无二次击穿问题、安全工作区宽等显著特点，其缺点是通态压降大、导通损耗大。

双极型器件中两种载流子都参与导电，多数属于电流控制型，导通损耗小是显著优点，其缺点是控制功率大、驱动电路较复杂、工作频率较低、有二次击穿问题等。

混合型器件又称复合型器件，是人们在比较单极型和双极型的优缺点之后，基于两者互为短长的事实取两者所长而制成的一类新型器件。利用双极型器件作为它的输出级，而利用单极性器件作为它的输入级，所得到的复合型器件发扬了两者的优点，弃掉了两者的缺点，成为一代新型的场控复合器件。其典型代表就是IGBT和MCT。