功率半導(dǎo)體器件類別概覽
功率半導(dǎo)體是電力電子系統(tǒng)的核心,承擔(dān)著電能轉(zhuǎn)換(整流?逆變?變頻?變壓等)和電路控制的關(guān)鍵任務(wù)?它們主要工作在開關(guān)狀態(tài)(導(dǎo)通/關(guān)斷),以高效地處理和控制較大功率(電流?電壓)?根據(jù)其結(jié)構(gòu)?工作原理和控制特性,主要可分為以下幾大類:
- 功率二極管 (Power Diodes)
核心特性: 最簡(jiǎn)單的功率半導(dǎo)體器件,具有單向?qū)щ娦?正向?qū)?反向阻斷)?不可控器件,其導(dǎo)通與關(guān)斷完全由外部電路電壓極性決定?
主要類型:
普通整流二極管 (General Purpose Rectifier Diodes): 用于低頻整流?
快恢復(fù)二極管 (Fast Recovery Diodes FRDs): 具有極短的反向恢復(fù)時(shí)間,用于高頻開關(guān)電路(如開關(guān)電源)中,減少開關(guān)損耗和電磁干擾?
肖特基勢(shì)壘二極管 (Schottky Barrier Diodes SBDs): 利用金屬半導(dǎo)體結(jié),正向壓降更低,開關(guān)速度極快(幾乎沒有反向恢復(fù)問題),但反向耐壓相對(duì)較低,反向漏電流較大?廣泛用于低壓?高頻場(chǎng)合?
- 晶閘管及其派生器件 (Thyristors and Derivatives)
核心特性: 半控型器件?一旦通過(guò)門極信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通,即使撤掉門極信號(hào),只要陽(yáng)極電流大于擎住電流,器件會(huì)維持導(dǎo)通,直到陽(yáng)極電流下降到維持電流以下才能關(guān)斷?因此,只能控制導(dǎo)通,不能直接控制關(guān)斷(需要依靠外部電路條件)?
主要類型:
普通晶閘管 (Silicon Controlled Rectifier SCR): 最基礎(chǔ)的類型,主要用于工頻或中低頻的交流調(diào)壓?整流和有源逆變等?
門極可關(guān)斷晶閘管 (Gate TurnOff Thyristor GTO): 在SCR基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái),增加了門極關(guān)斷能力?門極施加負(fù)脈沖電流可以強(qiáng)制關(guān)斷導(dǎo)通中的GTO?控制能力比SCR強(qiáng),但驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜,開關(guān)速度相對(duì)較慢(尤其是關(guān)斷)?
集成門極換流晶閘管 (Integrated GateCommutated Thyristor IGCT): GTO的改進(jìn)型?將門極驅(qū)動(dòng)電路高度集成在器件模塊內(nèi),優(yōu)化了門極換流路徑,大大提高了開關(guān)速度和可靠性,降低了驅(qū)動(dòng)功率和損耗?常用于大功率變流器?
- 功率晶體管 (Power Transistors)
核心特性: 全控型器件?通過(guò)持續(xù)的控制信號(hào)(電流或電壓)既可以控制其導(dǎo)通,也可以控制其關(guān)斷?控制靈活,開關(guān)速度普遍快于晶閘管類器件?
主要類型:
功率雙極結(jié)型晶體管 (Bipolar Junction Transistor BJT): 電流控制型器件?需要持續(xù)的基極電流來(lái)維持導(dǎo)通?導(dǎo)通壓降相對(duì)較低,但開關(guān)速度較慢,驅(qū)動(dòng)功率較大,存在二次擊穿問題?在現(xiàn)代中高頻應(yīng)用中已基本被MOSFET和IGBT取代?
功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (Power MetalOxideSemiconductor FieldEffect Transistor MOSFET): 電壓控制型器件?通過(guò)柵源電壓控制導(dǎo)通與關(guān)斷?主要優(yōu)勢(shì): 開關(guān)速度極快(可達(dá)MHz級(jí)),驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單(驅(qū)動(dòng)功率小),無(wú)二次擊穿問題,導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù),易于并聯(lián)?主要局限: 導(dǎo)通電阻隨耐壓升高而顯著增大(Rdson A 常數(shù)),導(dǎo)致高壓器件導(dǎo)通損耗較大?因此,最適合中低壓(通常< 1000V)?高頻應(yīng)用(如開關(guān)電源?DCDC轉(zhuǎn)換器?電機(jī)驅(qū)動(dòng))?
絕緣柵雙極晶體管 (Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT): 復(fù)合型全控器件?結(jié)合了MOSFET的電壓控制(柵極)和BJT的低導(dǎo)通壓降優(yōu)勢(shì)?結(jié)構(gòu)本質(zhì): 可看作由MOSFET驅(qū)動(dòng)的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)PNP型BJT(更精確地說(shuō)是MOSFET輸入?BJT輸出的復(fù)合結(jié)構(gòu))?優(yōu)勢(shì): 在中高電壓范圍(600V 6500V+)具有比MOSFET低得多的導(dǎo)通壓降(導(dǎo)通損耗小),同時(shí)保持了電壓控制的優(yōu)點(diǎn),開關(guān)速度高于GTO/BJT但低于MOSFET?應(yīng)用: 是目前中高功率?中高電壓應(yīng)用(如工業(yè)變頻器?電動(dòng)汽車主驅(qū)逆變器?新能源發(fā)電逆變器?UPS?焊機(jī)等)的絕對(duì)主力器件?
- 寬禁帶半導(dǎo)體功率器件 (Wide Bandgap WBG Power Devices)
核心特性: 采用碳化硅 (SiC) 或氮化鎵 (GaN) 等寬禁帶半導(dǎo)體材料制造的新一代功率器件?相比傳統(tǒng)硅 (Si) 器件,具有更高的禁帶寬度?更高的臨界擊穿電場(chǎng)?更高的熱導(dǎo)率?更高的電子飽和漂移速度等優(yōu)異物理特性?
革命性優(yōu)勢(shì):
更高的耐壓能力: 相同耐壓下,器件厚度可以更薄,導(dǎo)通電阻更低?
更高的工作溫度: 理論極限溫度遠(yuǎn)超Si器件?
更高的開關(guān)速度: 開關(guān)損耗 (Eon/Eoff) 極低,可工作于MHz級(jí)頻率?
更低的導(dǎo)通損耗: 尤其在高耐壓等級(jí)下優(yōu)勢(shì)顯著?
主要類型 (結(jié)構(gòu)與Si類似,但性能飛躍):
SiC 肖特基二極管 (SiC SBDs): 率先商用化,幾乎無(wú)反向恢復(fù),是高頻PFC和逆變器橋臂中FRD的理想替代品?
SiC MOSFET: 在高電壓(650V, 1200V, 1700V+)下,導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗遠(yuǎn)低于Si IGBT和Si MOSFET,正在快速取代IGBT在高端應(yīng)用(如電動(dòng)汽車主驅(qū)?光伏/儲(chǔ)能逆變器)中的地位?
SiC 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (SiC JFETs) / SiC 常開型器件: 另一種結(jié)構(gòu),通常與Si MOSFET級(jí)聯(lián)構(gòu)成常關(guān)模塊使用?
GaN 高電子遷移率晶體管 (GaN HEMTs): 主要優(yōu)勢(shì)集中在650V及以下電壓等級(jí)的超高頻(MHz級(jí))?超高功率密度應(yīng)用(如快充適配器?數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源?激光雷達(dá)?無(wú)線充電)?通常是常開型器件,需配合驅(qū)動(dòng)做成常關(guān)模塊使用?開關(guān)速度極快,無(wú)反向恢復(fù)?
總結(jié)邏輯:
從控制能力分: 不可控 (二極管) > 半控 (晶閘管類) > 全控 (晶體管類?WBG器件)?
從結(jié)構(gòu)原理分: 二極管 > 四層三端器件 (晶閘管類) > 三層三端雙極型 (BJT) > 三層三端單極型 (MOSFET) > 四層三端復(fù)合型 (IGBT) > 基于新材料的新結(jié)構(gòu) (SiC MOSFET, GaN HEMT)?
從應(yīng)用趨勢(shì)分: Si基器件 (二極管?晶閘管?BJT?MOSFET?IGBT) 仍廣泛應(yīng)用 > WBG器件 (SiC, GaN) 憑借卓越性能在高端?高頻?高功率密度領(lǐng)域高速滲透,是未來(lái)發(fā)展方向?
這種分類清晰地展示了功率半導(dǎo)體從基礎(chǔ)到先進(jìn)?從低頻到高頻?從小功率到大功率?從硅基到寬禁帶的技術(shù)演進(jìn)脈絡(luò)和應(yīng)用場(chǎng)景差異?
