功率電子器件概覽

一．整流二極管：
二極管是功率電子系統(tǒng)中不可或缺的器件，用于整流、續(xù)流等。目前比較多地使用如下三種選擇：
1．高效快速恢復(fù)二極管。壓降0.8-1.2V，適合小功率，12V左右電源。
2．高效超快速二極管。0.8-1.2V，適合小功率，12V左右電源。
3．肖特基勢壘整流二極管SBD。0.4V，適合5V等低壓電源。缺點是其電阻和耐壓的平方成正比，所以耐壓低（200V以下），反向漏電流較大，易熱擊穿。但速度比較快，通態(tài)壓降低。
目前SBD的研究前沿，已經(jīng)超過1萬伏。
二．大功率晶體管GTR
分為：
單管形式。電流系數(shù)：10-30。
雙管形式——達(dá)林頓管。電流倍數(shù)：100-1000。飽和壓降大，速度慢。下圖虛線部分即是達(dá)林頓管。

圖1-1：達(dá)林頓管應(yīng)用
實際比較常用的是達(dá)林頓模塊，它把GTR、續(xù)流二極管、輔助電路做到一個模塊內(nèi)。在較早期的功率電子設(shè)備中，比較多地使用了這種器件。圖1-2是這種器件的內(nèi)部典型結(jié)構(gòu)。

圖1-2：達(dá)林頓模塊電路典型結(jié)構(gòu)
兩個二極管左側(cè)是加速二極管，右側(cè)為續(xù)流二極管。加速二極管的原理是引進(jìn)了電流串聯(lián)正反饋，達(dá)到加速的目的。
這種器件的制造水平是1800V/800A/2KHz、600V/3A/100KHz左右（參考）。

三．可控硅SCR
可控硅在大電流、高耐壓場合還是必須的，但在常規(guī)工業(yè)控制的低壓、中小電流控制中，已逐步被新型器件取代。
目前的研制水平在12KV/8000A左右（參考）。
由于可控硅換流電路復(fù)雜，逐步開發(fā)了門極關(guān)斷晶閘管GTO。制造水平達(dá)到8KV/8KA，頻率為1KHz左右。
無論是SCR還是GTO，控制電路都過于復(fù)雜，特別是需要龐大的吸收電路。而且，速度低，因此限制了它的應(yīng)用范圍拓寬。
集成門極換流晶閘管IGCT和MOS關(guān)斷晶閘管之類的器件在控制門極前使用了MOS柵，從而達(dá)到硬關(guān)斷能力。
四．功率MOSFET
又叫功率場效應(yīng)管或者功率場控晶體管。
其特點是驅(qū)動功率小，速度高，安全工作區(qū)寬。但高壓時，導(dǎo)通電阻與電壓的平方成正比，因而提高耐壓和降低高壓阻抗困難。
適合低壓100V以下，是比較理想的器件。
目前的研制水平在1000V/65A左右（參考）。商業(yè)化的產(chǎn)品達(dá)到60V/200A/2MHz、500V/50A/100KHz。是目前速度最快的功率器件。
五．IGBT
又叫絕緣柵雙極型晶體管。
這種器件的特點是集MOSFET與GTR的優(yōu)點于一身。輸入阻抗高，速度快，熱穩(wěn)定性好。通態(tài)電壓低，耐壓高，電流大。
目前這種器件的兩個方向：一是朝大功率，二是朝高速度發(fā)展。大功率IGBT模塊達(dá)到1200-1800A/1800-3300V的水平（參考）。速度在中等電壓區(qū)域（370-600V），可達(dá)到150-180KHz。
它的電流密度比MOSFET大，芯片面積只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET低。

盡管電力電子器件發(fā)展過程遠(yuǎn)比我們現(xiàn)在描述的復(fù)雜，但是MOSFET和IGBT，特別是IGBT已經(jīng)成為現(xiàn)代功率電子器件的主流。因此，我們下面的重點也是這兩種器件。