功率半导体器件分类和性能对比

担当功率开关的半导体器件就是功率半导体器件，大致有三大类。
(1)二极管(Diode)：开关状态由主电路（功率电路）自身控制，因此又称为一被动开关、不可控开关。
(2)可控硅( Silicon controlled rectifier)：又称为Thyristor（半导体闸流管），能够被低功率的控制信号打开，但只能由主电路（功率电路）自身来关断而不能被控制信号关断，因此又被称为半可控开关。
(3)可控开关(Controllable switch)：开通与关断都能由低功率的控制信号实现。目前，商品化的半导体可控开关包括GTO、IGCT、田T与GTR、IGBT、VMOS，其电路符号如图1所示。

图1 半导体功率开关的电路符号

在半导体器件规模应用之前，电子管也曾经广泛用作功率开关。现在，功率半导体器件几乎全部取代了电子管器件，是因为我们特别在意功率开关的效。电子管器件自身的功耗很高，而且不能传送足够的电流。就像《西游记》里的“猪八戒”，虽然力气大，但是耐力不行，而且吃得太多；我们更需要“孙悟空”，效率高、耐力强，吃的还不多。换言之，就是“马儿要跑，最好还要不吃草”。
效率降低包含两个方面的因素。
·随着能量消费量的增加，能量的成本随之增加。
·随着能量消费量的增加，设计的复杂程度增加，尤其是开关器件的散热问题变得尤为突出。表征这一因素的主要参数——“热阻”，就是半导体器件的核心参数之一。
1．理想的功率开关
理想的功率开关波形如图2所示，具备以下几个特征。

图2 理想的功率开关波形

·开通、导电状态能传输无限量的电流。
·关断、不导电状态能耐受无限量的电压。
·开通、导电状态下，自身的电压降为0。
·关断、不导电状态下，自身的泄露电流为0。
·不限制开关的操作速度，上升时间和下降时间为0。
从上述特征来看，机械开关是比较理想的，但是开关速度低，难以实现自动控制。
2．现实中的功率开关
现实中的电子功率开关波形如图3所示，其特征如下。

图3 现实中的功率开关波形

·功率容量受限：主要受限因素是电流。
开关速度受限：功率开关的开通与关断需要一定的时间，此时间内的功率开关处于放大状态，由此带来的功耗称为开关功耗。
·开通、导电状态存在导通压降（饱和压降），由此带来的功耗称为通态功耗，也称为传输功耗、传导功耗。
·关断、不导电的状态下存在泄露电流，由此带来的功耗称为静态功耗。
3．常见功率半导体器件的工艺技术水平比较
常见功率半导体器件的工艺技术水平比较见表1。为了对比，也将基本退出主流应用领域的电子管并列入内。

表1

类型	商用年代	电压规格	电流规格	开关频率	功率容量	驱动电路	注释
GVT（1）	1920s(2）	20kV	10A	10MHz	100kW	比较简单	1950s后应用渐少
MTR(3)	1920s	25kV	20A	10MHz	100kW	不需要	1950s后应用渐少
RD（4）	1950s					不需要	开关不可控
SCR	1957	6kV	3.5kA	500Hz	100s（5）MW	简单	栅控不可关断
GTO	1962	8kV	8kA	1kHz	10sMW	非常简单	功率容量最高
IGCT	1990s	4.5kV	2.2kA	2kHz	10sMW	非常简单	功率容量最高
BJT	1960s	1.2kV	40A	5kHz	1kW	复杂	应用渐少
GTR	1970s	1.2kV	400A	5kHz	1MW	比较简单	应用渐少
VMOS	1976	500V	200A	1MHz	100kW	非常简单	高频性能最好
IGBT	1983	6.5kV	2.4kA	150kHz	100sKW	非常简单	综合性能好

(1) GVT：Gate controled Vacuum Tube，栅控电子管，包括三极管与多栅管。
(2) 1920s：20世纪20 年代，即 1920～1929 年，以下类同。
(3) MTR:Mercury Tube Rectifier，汞蒸气二极管，水银整流器，大功率电子二极管的主流。
(4) RD：Silicon Rectifying Diode，硅半导体二极管，功率半导体二极管的主流。
(5) 100sMW:l00MW以上，数百兆瓦，1MW＝ l000kW，以下类同。
4．功率半导体器件的应用领域
功率半导体器件的一般应用领域见表2。

表2 功率半导体器件的一般应用领域

（1）DIP-IPM:双列直插封装的IPM。
（2）IPM：智能功率模块，常见的是IGBT类，也有VMOS类。