五分鐘讀懂電力電子器件發展史
電力電子器件是電力電子技術的基礎，電力電子器件的不斷發展引導著各種電力電子拓撲電路的不斷完善，今天小編帶大家一起回顧下電力電子器件的發展史，一起領略人類智慧如何一步步進入這個神奇的電力世界，Magic。
史 前
這個得從愛迪生在研究電燈泡時說起，他做了管壁的防塵防煙實驗，1880年無意間發現在燈泡管內插入獨立電極的地方與燈絲之間，在某種條件下會產生電流。這個現象被稱為「愛迪生效應」，愛迪生本人沒有繼續探討，直到1904年英國佛萊明在橫越大西洋無線電通信發報機中，才首次利用「愛迪生效應」研製出一種能夠充當交流電整流和無線電檢波的特殊燈泡—「熱離子閥」，從而催生了世界上第一隻電子管，稱為佛萊明管（二極檢波管），也就是人們所說的真空二極體，世界進入電子時代，主要應用的是通信和無線電領域。當時的佛萊明管只有檢波與整流的功用，而且並不穩定。
第一隻真空二極體
1906年，為了提高真空二極體檢波靈敏度，德·福雷斯特在佛萊明的玻璃管內添加了柵欄式的金屬網，形成第三個極，三極真空管被發明，讓真空管具有放大與振蕩的功能，我們通常認定1906年是真空管元年。
德·福雷斯特與真空三極體
1930年代-1950年代，水銀整流器迅速發展；廣泛應用於電化學工業、電氣鐵道直流變電、直流電動機的傳動，此時，整流、逆變、周波變流電路都已成熟並被廣泛應用。
1947年，美國著名的貝爾實驗室發明了晶體管，這個晶體管是點觸式器件，用多晶鍺做成，繼而硅材料器件同樣實現，一場電子技術的革命開始了。
第一個晶體管
電力電子器件時代開始
1957年，美國通用電氣公司，第一個晶閘管出現，標誌著電力電子技術的誕生，正式進入了電力電子技術階段，也就是第一代電力電子器件穩步發展的開始。
第一代電力電子器件就是以晶閘管為代表，在60、70年代在整流技術上廣泛應用，但是由於第一代電力電子器件通過其門極只能控制其導通，不能控制其關斷，所以只能是半控型器件。半控型器件在直流供電場合，要實現關斷必須另加電感、電容和其他輔助開關器件組成強迫換流電路，這樣造成的缺點是：變流裝置整機體積增大，重量增加、效率降低，並且工作頻率一般低於400Hz。
快速發展時期
1970年代後期，門極可關斷晶閘管GTO、電力雙極型晶體管BJT、電力場效應晶體管功率MOSFET為代表的全控型器件迅速發展，第二代電力電子器件應運而生。
第二代電力電子器件就實現了既能被控制導通，也能控制關斷的全控型器件，使得各類電力電子變換電路及控制系統開始不斷湧現，如直流高頻斬波電路、軟開關諧振電路、脈寬調製電路等。一直沿用於今天的各種常見電源上，跨入全控器件快速發展階段。
1980年代後期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）集合了MOSFET的驅動功率小、開關速度快和BJT通態壓降小、載流能力大的優點，成為現代電力電子技術的主要器件；在中低頻大功率電源中占重要地位。20世紀90年代，智能功率模塊使功率器件的發展向大功率、高頻化、高效率跨向一大步。
電力電子器件發展圖
不同器件各居領地
這些功率器件在各自不同的領域發揮著各自重要的作用。按照導通、關斷的受控情況可分為不可控、半控和全控型器件，按照載流子導電情況可分為雙極型、單極型和複合型器件，按照控制信號情況，可以分為電流驅動型和電壓驅動型器件，根據它們的這些結構和特點應用領域也不完全相同。
電力電子器件分類及特點
目前，以MOSFET、IGBT、晶閘管等為代表的主流功率器件在各自的頻率段和電源功率段佔有一席之地。
功率MOSFET的問世打開了高頻應用的大門，這種電壓控制型單極型器件，主要是通過柵極電壓來控制漏極電流，因而它有一個顯著特點就是驅動電路簡單、驅動功率小，開關速度快，高頻特性好，最高工作頻率可達1MHz以上，適用於開關電源和高頻感應加熱等高頻場合，且安全工作區廣，沒有二次擊穿問題，耐破壞性強。缺點是電流容量小，耐壓低，通態壓降大，不適宜大功率裝置。目前MOSFET主要應用於電壓低於1000V，功率從幾瓦到數千瓦的場合，廣泛應用於充電器、適配器、電機控制、PC電源、通信電源、新能源發電、UPS、充電樁等場合。功率MOSFET在高頻應用場合的地位舉足輕重，後面我們會專門對MOSFET展開講解！
IGBT綜合了MOSFET和雙極型晶體管的優勢，有輸入阻抗高，開關速度快，驅動電路簡單等優點，又有輸出電流密度大，通態壓降下，電壓耐壓高的優勢，電壓一般從600V~6.5kV。IGBT優勢通過施加正向門極電壓形成溝道，提供晶體管基極電流使IGBT導通，反之，若提供反向門極電壓則可消除溝道，使IGBT因流過反向門極電流而關斷。比較而言，IGBT開關速度低於MOSFET，卻明顯高於GTR；IGBT的通態壓降同GTR接近，但比功率MOSFET低很多；IGBT的電流、電壓等級與GTR接近，而比功率MOSFET高。由於IGBT的綜合優良性能，已經取代GTR，成為逆變器、UPS、變頻器、電機驅動、大功率開關電源，尤其是現在炙手可熱的電動汽車、高鐵等電力電子裝置中主流的器件。
各器件應用電路
單管輸出功率與工作頻率的關係
各器件電壓和輸出功率水平
第三代寬禁帶半導體器件
前面都是以Si材料為基礎的各種電力電子器件，隨著Si材料電力電子器件逐漸接近其理論極限值，利用寬禁帶半導體材料製造的電力電子器件顯示出比Si和GaAs更優異的特性，給電力電子產業的發展帶來了新的生機。相對於Si材料，使用寬禁帶半導體材料製造新一代的電力電子器件，可以變得更小、更快、更可靠和更高效。這將減少電力電子元件的質量、體積以及生命周期成本，允許設備在更高的溫度、電壓和頻率下工作，使得電子電子器件使用更少的能量卻可以實現更高的性能。圖8中對Si、4H-SiC以及GaN的幾個重要參數性能進行了對比。基於這些優勢，寬禁帶半導體在家用電器、電力電子設備、新能源汽車、工業生產設備、高壓直流輸電設備、移動基站等系統中都具有廣泛的應用前景。
不同半導體材料的參數對比
其中：
禁帶寬度Eg增加：反向漏電減小，工作溫度高，抗輻射能力強；
更高的臨界電場：導通電阻減小，阻斷電壓增大；
熱導率：高的熱導率，代表熱阻小，熱擴散能力好，功率密度高；
更快的飽和漂移速率：開關速度快，工作效率高；
20世紀90年代末，美國Cree公司開始建立SiC生產線，供應商開始提供商品化的碳化硅基。2001年德國Infineon公司推出SiC二極體產品，美國Cree和意法半導體等廠商也緊隨其後推出了SiC二極體產品。隨後SiC MOSFET、SiC JFET和SiC BJT等產品相繼出現。同樣，90年代末，GaN材料也開始在二極體中出現，直到2009年左右GaN功率電力電子器件商業化。
SiC襯底材料方面，主流產品逐漸由4英寸向6英寸過渡，並開始研發和生產8英寸襯底；外延材料方面，6英寸外延片已經產業化，外延速率最高可以達到170μm /h，100μm以上的高厚度外延片缺陷密度低於0.1-2 cm；應用方面，SiC器件正在滲透到以電動汽車、消費類電子、新能源、軌道交通等為代表的民用領域。
GaN襯底材料方面，住友電工、日立電線、古河機械金屬和三菱化學等日本公司已可以出售標準2-3英寸HVPE製備的GaN襯底，具備4英寸襯底（位錯密度106cm-2）的小批量供應能力。外延材料方面，美國Nitronex，德國Azzuro和日本企業開始提供6英寸製備600V以上電力電子器件的Si上GaN外延材料。SiC襯底的射頻微波功率用GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）外延片已實現產業化。GaN電力電子器件方面，目前已推出耐壓650V及以下系列Si基GaN功率器件，主要應用於伺服器電源、車載充電、光伏逆變器等。
在巨大優勢和光明前景的刺激下，目前全球各國均在加大馬力布局第三代半導體領域，但我國在寬禁帶半導體產業化方面進度還比較緩慢，寬禁帶半導體技術亟待突破，而最大的瓶頸是原材料和成本問題。我國對SiC晶元的製備尚為空缺，大多數設備靠國外進口，我國原材料的質量、製備問題亟待破解。雖然因為材料和成本的些許問題還沒大量推廣，但是待解決了材料和工藝瓶頸，降低產品成本的日子離我們就會很近！
也歡迎有才華有實力的你給我們投稿，一起分享知識，交流技術。
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