功率半导体器件的基本分类和应用

【功率半导体器件应用讲座：第2讲】

根据器件所用半导体材料、制造工艺、工作机理及器件开通和关断的控制方式的不同，功率器件有各种各样的分类方式。

1.按器件控制特性分类
按照功率半导体器件控制特性来分类，习惯上根据器件的开通、关断控制特性的不同，可分为不可控型、半控型和全控型3大类。
◎  不可控型器件
不可控型器件主要为各种不同类型的功率二极管，比如大功率二极管、快恢复二极管和肖特基二极管等。这类器件一般为两端器件，其中一端为阳极，另一端为阴极，其开关操作仅取决于施加于器件阳、阴极间的电压，正向导通，反向阻断，流过其中的电流也是单方向的。由于其开通和关断不能通过器件本身进行控制，故这类器件称为不可控型器件。
◎ 半控型器件
半控型器件主要指晶闸管（SCR）及其派生器件，如双向晶闸管、逆导晶闸管等。这类器件一般是三端器件，除阳极和阴极外，还增加了一个控制用门极。半控型器件也具有单向导电性，其开通不仅需在其阳极和阴极间施加正向电压，而且必须在门极和阴极间输入正向可控功率，称之为“开通可控”。然而，这类器件一旦开通，就不能在通过门极控制关断，只能从外部改变加在阳、阴极间的电压极性或强制阳极电流变成零，所以把它们成为半控型器件。晶闸管的最大特点是价格低廉、可靠性高，但是由其组成的变换器的性能一般，尤其在谐波抑制性能上较弱。
◎ 全控型器件
全控型器件种类较多，工作机理也不尽相同，包括BJT、GTO、功率MOSFET、IGBT等。这一类器件也是带有控制端的三端器件，其控制端不仅可控制其开通，而且也能控制其关断，故称为全控型器件。由于不需要外部提供关断条件，仅靠自身控制即可关断，所以这类器件也称为自关断器件。在实现电力电子变换器过程中，采用全控型器件的变换器拓扑和控制均比半控型器件要简单，可以方便的实现斩波调压、脉宽调制（PWM）。随着电力电子变换器容量等级的不断增长，全控型器件正在逐渐取代晶闸管，如基于IGBT的通用变频器、光伏逆变器、风电变流器等。

2. 按器件驱动方式分类
◎ 电流控制型器件
电流控制型器件有SCR、BJT、GTO等，这类器件必须有足够的驱动电流才能使器件导通或者关断，本质上是通过控制极电流来直接影响器件的行为，器件容量越大，一般需要的驱动功率也越大。对于GTO和SCR来说，需要的是脉冲电流控制，而对于BJT则需要采用持续的电流控制，前者的驱动电路相对复杂，但不需要持续的功率消耗。
◎ 电压控制型器件
电压控制型器件有IGBT、MOSFET等，这类器件的开关行为只需要有一定的电压和很小的驱动电流就可以，因此这类器件只需要很小的驱动功率，驱动电路也比较简单。另外，采用电压控制驱动的器件其开关动作一致性相对较好。
◎ 光控型器件
光控型器件一般是专门制造的功率半导体器件，如光控晶闸管。这类器件通过光纤和专用的光发射器来控制器件的开关行为，驱动电路非电化，可以大大增强电路的电磁兼容能力。光控型器件通常用于某些大容量电力电子变换系统。

3.按器件中载流子性质分类
按照功率半导体器件的内部载流子的性质可以分为三大类型，双极型、单极型和混合型。
◎ 双极型器件
双极型器件是指在器件内部电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件，都是基于PN结原理的结型半导体器件，也称结型器件。但是结型场效应晶体管（JFET）等器件，其工作时器件内仅有多数载流子参与导电，还是属于单极型器件。双极型器件的通态压降低、阻断电压高、电流容量大、开关频率一般不高。常见的有BJT、GTO、GCT（门极换流晶闸管）。
◎  单极型器件
单极型器件是指只有一种载流子（即多数载流子）参与导电过程的功率半导体器件，这类器件的开关频率一般较高，耐压为几百伏的器件最高开关频率可以达到几十到几百千赫。这类器件随着耐压的提高通态损耗较大，通常用于功率等级较低的电力电子变换器上。典型器件有功率场效应晶体管（Power MOSFET）和静电感应晶体管(SIT)两种。
◎  混合型器件
混合型器件又称复合型器件，它是由双极型器件和单极型器件集成混合而成。它们利用耐压高、电流密度大、导通压降低的双极型器件作为功率输入输出通道，而用输入阻抗高、响应速度快的单极型MOS结构作为控制通道，因为兼备了两者的优点。这类器件典型代表有IGBT和IEGT等。
随着新材料、新工艺和新技术的采用，也产生了一些新的分类方法。比如，随着宽禁带材料的使用，基于SiC和GaN材料的器件正成为功率器件研究的热点，此时我们可以按照材料特性对功率器件分类，如硅（Si）器件、碳化硅（SiC）器件和氮化镓（GaN）器件等。