科普：功率器件的進階之路
[導(dǎo)讀]什么是功率器件？功率器件，也被稱為電力電子器件，簡單來說，就是具有處理高電壓、大電流能力的功率型半導(dǎo)體器件。由于早期主要用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路方面，因此得名“電力電子器件”。Q：功率處理怎么理解？A：一般指的是變頻、變壓、變流、功率管理等電路處理動作。Q：高電壓有多高？...
什么是功率器件？
功率器件，也被稱為電力電子器件，簡單來說，就是具有處理高電壓、大電流能力的功率型半導(dǎo)體器件。由于早期主要用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路方面，因此得名“電力電子器件”。Q：功率處理怎么理解？A：一般指的是變頻、變壓、變流、功率管理等電路處理動作。Q：高電壓有多高？大電流有多大？A：電壓處理范圍通常為數(shù)百伏以上，電流為數(shù)十至數(shù)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，具體信息請繼續(xù)閱讀下一章節(jié)——“功率器件發(fā)展史”。Q：功率器件這么多，如何分類？A：按照導(dǎo)通、關(guān)斷的受控情況可分為不可控、半控和全控型功率器件；按照載流子導(dǎo)電情況可分為雙極型、單極型和復(fù)合型功率器件；按照控制信號情況，可以分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型功率器件。Q：如果想學(xué)習(xí)功率器件相關(guān)知識，有推薦的資料或書籍嗎？A：細細想來，作為一名“攻城獅”，在初學(xué)階段用的是Prof. Ned Mohan寫的那本經(jīng)典的《Power Electronics:Converters, Applications and Design》，其中功率半導(dǎo)體章節(jié)不算多，但是寫的很細致，細細讀完可以掌握幾種常見的功率器件基本原理。在此基礎(chǔ)上，看了Prof. Jayant Baliga的《Fundamentals of PowerSemiconductor Devices》和Prof. Josef Lutz的《Semiconductor Power Devices》的穩(wěn)定性相關(guān)部分。小伙伴們，如果有好的書籍可以在互動里面分享給我們哦。
功率器件發(fā)展史
電子管時代
1904年英國佛萊明在「愛迪生效應(yīng)」的基礎(chǔ)上研制出了“熱離子閥”， 從而催生了世界上第一只電子管，稱為佛萊明管（真空二極檢波管），世界進入電子管時代。當(dāng)時的佛萊明管只有檢波與整流的作用，性能并不穩(wěn)定，主要用在通信和無線電領(lǐng)域。
真空管時代1906年，為了提高真空二極管檢波靈敏度，德·福雷斯特在佛萊明的玻璃管內(nèi)添加了柵欄式的金屬網(wǎng)，形成第三個極，從此二極管搖身一變，成為三極真空管，并兼具放大與振蕩的功能。
水銀整流器時代1930年代-1950年代是水銀整流器迅速發(fā)展的30年，集聚整流、逆變、周波變流等功用，廣泛應(yīng)用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電、直流電動機的傳動等領(lǐng)域。
第一代功率器件——半控型晶閘管時代1947年，貝爾實驗室發(fā)明了由多晶鍺構(gòu)成的點觸式晶體管，后又在硅材料上得到驗證，一場電子技術(shù)的革命開始了。
1957年，美國通用電氣公司發(fā)明了晶閘管，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生，正式進入了以晶閘管為代表的第一代電力電子技術(shù)發(fā)展階段。當(dāng)時的晶閘管主要用于相控電路，工作頻率一般低于400Hz，較水銀整流器，具有體積小、可靠性高、節(jié)能等優(yōu)點。但只能控制導(dǎo)通，不能控制關(guān)斷的半控型特點在直流供電場合的使用顯得很雞肋，必須要加上電感、電容以及其他開關(guān)件才能強制換流，從而導(dǎo)致變流裝置整機體積增大、效率降低等問題的出現(xiàn)。
第二代功率器件——以GTO、BJT、MOSFET、IGBT為代表的全控型功率器件時代1970年代，既能控制導(dǎo)通，又能控制關(guān)斷的全控型功率器件在集成電路技術(shù)的發(fā)展過程中應(yīng)運而生，如門極可關(guān)斷晶閘管GTO、電力雙極型晶體管BJT、電力場效應(yīng)晶體管功率MOSFET等，其工作頻率達到兆赫級，常被應(yīng)用于直流高頻斬波電路、軟開關(guān)諧振電路、脈寬調(diào)制電路等。
到了1980年代后期，絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）出現(xiàn)，兼具MOSFET輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大、耐壓高的優(yōu)點，因此在中低頻率、大功率電源中運用廣泛。
各功率器件功率頻譜（左）
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