“一高一低”开发电力半导体器件

文｜项卫光

电力半导体器件的出现与发展，虽然使整流器、逆变器、斩波器等各类装置的整体性能得到了显著提升，但由于电力半导体器件的应用范围十分广泛，而当前各应用领域又处于高速发展之中，对电力半导体器件的应用要求已经变得越来越高，因此要想满足工业生产、农业生产等各方面的应用需求，就必须要对电力半导体器件进行持续开发与更新换代。

电力半导体器件三大主流

晶闸管作为最早出现的电力半导体器件，可通过微小功率对大功率的电流进行控制、转换，具有体积小、重量轻、耐压高等特点，在家用电器、工业制造、交通运输等领域都实现了较为广泛的应用。近些年，由于硅基GTO晶闸管经常需要在兆瓦级功率应用领域进行串并联应用，相关应用系统的功率密度比较高，很容易导致能量损耗过高、工作温度不高等问题，因此有关企业开始使用宽禁带SiC材料来代替传统的Si材料，进行新型晶闸管生产。目前已经有不少SiC器件被研制出来，并在电流处理能力、快速关断、导通电阻、功耗、工作温度等方面表现出优异性能。

整流管类电力半导体器件通常可分为普通整流管、快速恢复二极管、肖特基二极管等几种类型。目前，快速恢复二极管发展速度最快，发展前景也较良好。因为应用快速恢复二极管，主要是为了缩短主开关器件电容的充电时间，同时对负载电流瞬时反向时产生的高电压进行抑制，因此其反向恢复时间、反向恢复电流、软恢复特性等性能都显得尤为重要。据有关网络数据显示，近些年国内性能最佳的快速恢复二级管，反向恢复峰值电压性能可达4500V，反向恢复时间可达5µs，虽然与国际顶级水平仍存在一定差距，但未来可期。

功率晶体管作为主要用于移动通信系统基站功率放大器及手机功率放大器的新型射频功率器件，虽然发展时间相对较短，但却具有着寄生电容较小、易集成、工作性能高等特点，能够在集成电路中发挥出很大作用，而这一领域的电力半导体器件研发工作也较受重视。以目前发展最为迅速的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）为例，该类晶体管综合了GTR器件与MOSFET器件的特点，在饱和压、载流密度、驱动功率、开关速度等方面都有着较为突出的性能优势，在600V以上直流电压的变流系统中，能够取得理想应用效果，近几年已经能够制造出集成化的IGBT专用驱动电路，在整机可靠性等性能上实现了进一步提升。

电力半导体器件两大发展趋势

低成本。在电力半导体材料不断更新的过程中，很多新型半导体材料由于成本较高，并未能够有效推广开来。但相对的，面对更为突出的禁带宽度、更击穿电场、热导率、电子饱和速率等性能，有关第三代半导体材料的相关研究一直都未停止，近些年反而越来越多地受到关注。随着第三代半导体材料有关研究的不断深入，其应用成本问题将会逐渐得到解决，电力半导体器件会向着低成本的方向不断发展。

高性能。经过数十年的发展，电力半导体器件已经形成多个类别，同时性能也实现了飞跃式提升。但由于电力电子技术的整体发展速度同样较快，如斩波器、逆变器等装置对电力半导体器件所提出的性能要求越来越高，因此未来电力半导体器件的性能必须继续提升，并呈现出高性能的长期发展趋势。例如在VDMOS、IGBT等新型半导体器件频率性能不断提高的情况下，快速恢复二极就必然会向着缩短反向恢复时间、降低反向恢复电流的方向发展。

总之，电力半导体器件虽然在上世纪中后期才发展起来，但却在短短数十年间实现了高速发展。但是未来电力半导体器件想要得到更好的发展与应用，则需要在熟悉晶闸管、整流管、功率晶体管等各类电力半导体器件发展现状的同时，准确把握其低成本、高性能的发展趋势。