“一高一低”開發電力半導體器件

文｜項衛光

電力半導體器件的出現與發展，雖然使整流器、逆變器、斬波器等各類裝置的整體性能得到了顯著提升，但由于電力半導體器件的應用范圍十分廣泛，而當前各應用領域又處于高速發展之中，對電力半導體器件的應用要求已經變得越來越高，因此要想滿足工業生產、農業生產等各方面的應用需求，就必須要對電力半導體器件進行持續開發與更新換代。

電力半導體器件三大主流

晶閘管作為最早出現的電力半導體器件，可通過微小功率對大功率的電流進行控制、轉換，具有體積小、重量輕、耐壓高等特點，在家用電器、工業制造、交通運輸等領域都實現了較為廣泛的應用。近些年，由于硅基GTO晶閘管經常需要在兆瓦級功率應用領域進行串并聯應用，相關應用系統的功率密度比較高，很容易導致能量損耗過高、工作溫度不高等問題，因此有關企業開始使用寬禁帶SiC材料來代替傳統的Si材料，進行新型晶閘管生產。目前已經有不少SiC器件被研制出來，并在電流處理能力、快速關斷、導通電阻、功耗、工作溫度等方面表現出優異性能。

整流管類電力半導體器件通常可分為普通整流管、快速恢復二極管、肖特基二極管等幾種類型。目前，快速恢復二極管發展速度最快，發展前景也較良好。因為應用快速恢復二極管，主要是為了縮短主開關器件電容的充電時間，同時對負載電流瞬時反向時產生的高電壓進行抑制，因此其反向恢復時間、反向恢復電流、軟恢復特性等性能都顯得尤為重要。據有關網絡數據顯示，近些年國內性能最佳的快速恢復二級管，反向恢復峰值電壓性能可達4500V，反向恢復時間可達5μs，雖然與國際頂級水平仍存在一定差距，但未來可期。

功率晶體管作為主要用于移動通信系統基站功率放大器及手機功率放大器的新型射頻功率器件，雖然發展時間相對較短，但卻具有著寄生電容較小、易集成、工作性能高等特點，能夠在集成電路中發揮出很大作用，而這一領域的電力半導體器件研發工作也較受重視。以目前發展最為迅速的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）為例，該類晶體管綜合了GTR器件與MOSFET器件的特點，在飽和壓、載流密度、驅動功率、開關速度等方面都有著較為突出的性能優勢，在600V以上直流電壓的變流系統中，能夠取得理想應用效果，近幾年已經能夠制造出集成化的IGBT專用驅動電路，在整機可靠性等性能上實現了進一步提升。

電力半導體器件兩大發展趨勢

低成本。在電力半導體材料不斷更新的過程中，很多新型半導體材料由于成本較高，并未能夠有效推廣開來。但相對的，面對更為突出的禁帶寬度、更擊穿電場、熱導率、電子飽和速率等性能，有關第三代半導體材料的相關研究一直都未停止，近些年反而越來越多地受到關注。隨著第三代半導體材料有關研究的不斷深入，其應用成本問題將會逐漸得到解決，電力半導體器件會向著低成本的方向不斷發展。

高性能。經過數十年的發展，電力半導體器件已經形成多個類別，同時性能也實現了飛躍式提升。但由于電力電子技術的整體發展速度同樣較快，如斬波器、逆變器等裝置對電力半導體器件所提出的性能要求越來越高，因此未來電力半導體器件的性能必須繼續提升，并呈現出高性能的長期發展趨勢。例如在VDMOS、IGBT等新型半導體器件頻率性能不斷提高的情況下，快速恢復二極就必然會向著縮短反向恢復時間、降低反向恢復電流的方向發展。

總之，電力半導體器件雖然在上世紀中后期才發展起來，但卻在短短數十年間實現了高速發展。但是未來電力半導體器件想要得到更好的發展與應用，則需要在熟悉晶閘管、整流管、功率晶體管等各類電力半導體器件發展現狀的同時，準確把握其低成本、高性能的發展趨勢。