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20世纪50年代以来，可用于电力电子电路的各类全控型功率半导体器件相继问世，如门极可关断晶闸管（Gate Turn-Off Thyristor金属氧化物半导体GTO）、绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）、门极换向晶闸管（Gate Commutated Thyristor, GCT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET）等，有力地促进了各类电力电子装置的快速发展和新型电力电子装置的不断涌现，并呈现出功率等级从几个千瓦到几十兆瓦、电压等级从几十伏到几十千伏、开关频率从几十赫兹到几兆赫兹极大的多样化。因此，在电力电子行业也有“一代半导体器件决定一代电力电子技术”的说法，生动地说明了半导体器件对电力电子学科的重要性。
功率半导体开关器件的发展历程就是对理想开关性能的追求和探索过程。已有大量研究致力于如何降低器件的损耗、提高开关频率以及简化门（栅）极驱动等，在此不再赘述。电力电子装置常用的半导体器件及功率应用范围如图1.9所示。
电力电子装置用二极管有普通型二极管、快恢复型二极管、肖特基二极管等。前者用于普通工频不控整流器，后者用于高频变换电路，可减少反向恢复损耗。其封装形式也较丰富，根据功率等级的大小，可以有压接式、模块式、直插式、贴片式等，如图1.10所示。
电力二极管属于不控型器件，即不需要门极驱动信号，仅有阳极A和阴极K，如图1.11a所示，需要借助两端电压的变化使其工作于正向导通或反向截止（击穿）状态，其工作伏安特性如图1.11b所示。对于功率电路中二极管的选型，除了需要关注电压和电流应力外，还要特别关注其反向恢复问题，如图1.11c中阴影区域所示，其面积大小（反向恢复电荷 Q rr ）反映了反向恢复的严重程度，主要由反向恢复时间 t rr 和反向恢复电流 I rr 两者共同决定。需要选择合适的快恢复型二极管来降低高频工作时的关断损耗，或通过辅助电路帮助二极管实现零电流关断，助其避免或减小反向恢复电流 I rr 。
图1.9 功率半导体器件的电压和电流等级分布
图1.10 常见的二极管封装形式
图1.11 二极管电路符号与特性曲线
SCR是一种可控制开通过程的半导体器件，相比电力二极管，它有三个接线端：门极（G）、阳极（A）和阴极（K），如图1.12a所示。SCR常用于大功率场合，如高压直流输电等，其封装形式多为压接，需在图1.10a的基础上增加1根门极信号线。在SCR阳极和阴极之间加有正向电压时，可通过门极信号线施加正向脉冲电流即可控制其开通；一旦SCR被触发导通，门极信号线即失去控制作用，只有通过功率电路提供反向的阳极电压（电流）才能实现SCR的关断，其工作伏安特性如图1.12b所示，因此被称为“半控型”器件。
图1.12 SCR电路符号与伏安特性曲线（100%，90%，10%分别表示 i G = I Gm ， i G =0.9 I Gm 和 i G =0.1 I Gm ）
半控型器件SCR的开关过程工作波形如图1.12c所示，在开通过程中需要向门极提供正向电流 i G ，经过开通延迟时间 t d(on) 和上升时间 t r 后SCR完全导通，这一过程中需要保持门极电流幅值 I Gm 稳定。当需要关断SCR时，功率电路需主动为其提供反向电压，迫使阳极电流 i A 开始减小。在高压直流换流站中，SCR关断时的反向电流是通过电网电压产生，如果此过程中电网电压较弱将导致换向失败。从图1.12c可以看出，SCR在关断过程存在明显的反向恢复电荷 Q rr ，限制了工作频率的提升，实际工程中一般需要选择 Q rr 较小的SCR。
功率半导体器件从二极管到SCR实现了“不控”到“半控”的跨越，下一步必然是实现“全控”。为此，GTO器件应运而生，只需要提供反向的门极电流即可关断，其封装形式与SCR一样多为压接形式。
GTO具有对称和非对称两种结构。对称GTO具有反向电压阻断能力，比较适合于电流源型变流器，其阻断正向电压和反向电压的能力基本一致；而非对称GTO通常用于电压源型变流器，此时不需要具有反向电压阻断能力，一般需要反并联二极管提供电压源逆变器的续流回路。
图1.13为GTO开关工作过程中的电压、电流和门极电流波形图，其开通过程与SCR基本一致。当要使GTO关断时仅需提供反向门极电流即可，为可靠关断，反向门极电流的变化d i G2 /d t 必须满足一定的要求，一般小于40A/μs。
图1.13 GTO电路符号与伏安特性曲线（-10%即 i G =-0.1 I Gm2 ）
无疑，GTO在功率半导体发展史上具有重要意义，同时保留了SCR的高通态电流和高阻断电压等优点。但GTO也存在许多缺点，包括：①由于电压上升率d v AK /d t 较低，其关断吸收电路体积大、成本高；②开关损耗（特别是关断损耗）和吸收电路的损耗比较大；③需要复杂的门极驱动电路且驱动功耗大；④GTO需要一个导通吸收电路来限制电流上升率d i A /d t 。上述特点都使得GTO的应用较复杂。
GCT是在GTO结构上发展来的一种新型器件，主要为了提升GTO的关断特性，也被称为集成门极换向晶闸管（Integrated Gate Commutated Thyristor, IGCT），如图1.14所示。GCT的核心技术包括：硅片的重大改进、门极驱动电路和器件的封装形式。GCT主要有通用型和环绕型两种封装结构，分别如图1.14a和图1.14b所示，环绕型比通用型更加紧凑和坚固，可承受较大的机械应力。其中，通用型容量可达到6.5kV/6kA，环绕型可达到6.5kV/1.5kA。
具体地，GCT的硅片比GTO的硅片要薄很多，使得通态功率损耗也有了较大的降低；GCT的门极驱动采用特殊的环形封装，使得门极电感非常小（通常低于5nH），因此无需吸收电路；GCT关断时，其门极电流的变化率通常可以高于3000A/μs，远高于GTO的40A/μs；由于GCT内部集成了驱动电路，用户只需要为其提供20～30V的直流电源供电即可，驱动电路与系统控制器的连接采用两根光纤，以传输通断控制信号和器件故障反馈信号。
图1.14 GCT的两种封装结构及6.5kV/1.5kA IGCT实物图
GCT可分为非对称型、反向导通型和对称型三种。非对称型和反向导通型一般用于电压源型变流器，这种应用不需要开关器件具有反向电压阻断能力，且反向导通型GCT在封装内集成了续流二极管，可降低组装成本；对称型GCT则通常用于电流源型变流器。
GCT是在GTO结构上发展来的一种新型器件，它们具有相似的电路符号与 V-I 特性曲线图，不再赘述。图1.15给出了GCT的开关过程工作波形图，其开通过程与GTO基本一致；但关断过程存在明显的不同，相比图1.13c，GCT关断时门极电流的变化率远高于GTO的变化率。值得注意的是，虽然GCT允许的最大导通电流变化率d i A /d t 可达1000A/μs，约高于GTO 2倍，但在工程实践中仍需要一个导通吸收电路，一般是将缓冲电感引入功率回路，根据变换器类别不同，缓冲电路的形式有所差别。
图1.15 GCT开关过程工作波形
大功率晶体管（Giant Transistor, GTR）是一种具有两种极性载流子（空穴和电子）均起导电作用的半导体器件，与晶闸管类器件一样可称为双极性器件。不同的是GTR具有线性放大特性，可用在传统的线性电源中，而在现代电力电子装置中却是工作在开关状态，以减小其功率损耗和提升工作频率。它可以通过基极信号（电流）方便地进行通、断控制，属于全控型器件。
相比模拟电子技术中讨论的普通晶体管，功率晶体管与其并无本质差别，但在工作特性上关注的参数不同。一般来说，普通晶体管关注的特性参数有电流放大倍数、线性度、频率响应、噪声、温漂等；而GTR则关注击穿电压、最大允许功耗、开关速度等。图1.16a和图1.16b分别为GTR的电路符号和伏安特性曲线，可以看到它有三个工作区：饱和区（开通）、放大区和截止区（关断）。
图1.16 GTR电路符号与伏安特性曲线
电力电子装置要求设置GTR工作在截止区和饱和区，切换过程中快速通过放大区，并通过在GTR基极施加脉冲电流信号，如图1.16c所示。在 t 0 时刻加入正向基极电流，GTR经上升延迟 t d(on) 和上升阶段 t r 后达到饱和区；但需要关断GTR时，可将反向基极电流信号加到基极，经下降延迟 t d(off) 和下降阶段 t f 后GTR才返回截止区。
在GTR的使用设计中除了关注电压电流参数和集电极最大耗散功率等参数外，GTR的二次击穿现象要特别关注。二次击穿是指GTR在雪崩击穿的基础上再次被施加高的集射极电压致其局部过热而烧毁。
功率场效应晶体管（MOSFET）是一种不同于上述双极性晶体管的单极性器件，它只有电子或空穴导电，最大的优势是门极（栅极）的静态内阻极高，可达10 9 Ω；使其具有电压控制型半导体器件特性，驱动功率小、开关速度快、无二次击穿问题。但MOSFET的电流容量小、耐压较低、通态压降较高，适合应用于高频、小功率电力电子装置。图1.17为功率MOSFET的常见封装形式，图1.17a为应用最为广泛的直插式MOSFET单管；为了缩减体积和降低寄生参数，图1.17b所示的贴片封装形式在高频高功率密度小功率开关电源中受到欢迎；MOSFET也有模块封装形式，如图1.17c所示，一种需求是为了应付更大的通态电流，将多只MOSFET芯片并联封装为一个模块，另一种需求是为了简化电路布局，将整个电路的功率器件封装进一个模块，如分布式光伏并网逆变器专用MOSFET模块将1路或多路Boost电路和1路全桥电路所用的器件集成为一个模块。
图1.17 常见的二极管封装形式
图1.18a～c为MOSFET的电路符号和 V-I 特性曲线，它同样有三个工作区：饱和区（开通）、可变电阻区和截止区（关断）；MOSFET的开关工作波形如图1.18c所示，其门极施加电压信号仅消耗较小电流，其开关性能已较接近理想器件特性。在具体使用中需要注意的是开通过程中MOSFET漏源极寄生电容的放电电流产生的开关损耗，一般要通过门极驱动电阻限制开通速度来达到抑制开通电流的目的。
图1.18 MOSFET电路符号和 V-I 特性曲线
一般将绝缘栅双极型晶体管（IGBT）理解为GTR与MOSFET的组合，以充分利用GTR通态压降低和MOSFET门极驱动电流小的优势而避开其缺点，使得IGBT成为一种电压控制型且适合高电压大电流应用场合的开关器件。IGBT是目前在商业应用上最为成功的功率半导体器件。
图1.19为IGBT常用的封装形式，模块式IGBT常用在新能源发电装备、大功率驱动装置等工业场合；压接式IGBT多用于柔性直流输电系统。IGBT也有图1.17a所示的单管直插式封装形式，多用于小功率场合。
图1.19 常用的IGBT封装形式
图1.20a和b分别为IGBT的电路符号和 V-I 特性曲线，它同样有三个工作区：饱和区（开通）、线性放大区和截止区（关断）。IGBT的开关工作波形如图1.20c所示，其门极施加正/负电压信号即可开通/关断器件。例如，IGBT栅极可采用+15V电压即可可靠饱和导通、0V电压即可关断，实际应用中为了提高IGBT的抗干扰能力常采用负栅压（-5V或-9V）来保障其可靠关断。
图1.20 IGBT电路符号与 V-I 特性曲线
相比MOSFET，IGBT的开通特性不再受寄生电容放电电流的限制，但存在明显的关断电流拖尾现象，这是其开关损耗的主要来源，制约了IGBT开关频率的提升。
碳化硅器件是一种宽禁带器件，从2000年开始发展应用的碳化硅二极管算起，已有二十多年的发展历史；当前最为关注的碳化硅器件是SiC-MOSFET，围绕提高其开关性能、应用技术的研究一直是学术界和工业界的研究热点。
图1.21为SiC-MOSFET的常见封装形式。贴片式SiC-MOSFET可用于高功率密度光伏发电逆变装置；直插式SiC-MOSFET可应用于开关电源转换器、电磁炉加热装置和电机驱动器等小功率场合；模块式SiC-MOSFET可应用于牵引机车辅助供电电源系统等大功率场合。
图1.21 SiC-MOSFET的常见封装形式
图1.22a、b分别为SiC-MOSFET的电路符号和 V-I 特性曲线。与图1.18c相比，SiC-MOSFET的输出特性曲线不存在明显饱和区。例如，栅极电压即使达到15V左右，继续增大栅极驱动电压仍有明显变化，仍能显著减少通态电阻。因此在不超过栅极极限电压的情况下，应尽可能提升驱动电压以获得更低的通态电阻。SiC-MOSFET的开关工作波形如图1.22c所示，SiC-MOSFET的开通速度大约在几十纳秒。
具体来讲，SiC-MOSFET具有如下优点：
1）低通态电阻。在相同电压和电流等级下，SiC-MOSFET的通态电阻要比Si MOSFET小很多，且具有更小的封装体积，有利于提高电力电子装置的功率密度。
2）高开关频率。SiC器件的饱和电子漂移速率约为Si器件的3倍，使其开通和关断的时间更短，且SiC-MOSFET的体二极管与SiC肖特基二极管性能相同，具有快恢复性能，都有利于大幅减小开关损耗。因此，SiC-MOSFET可运行在高开关频率。
3）高工作温度。由于SiC-MOSFET芯片可承受300℃的工作温度，远高于Si材料150℃的极限，SiC芯片具有更高的热导率，也有利于芯片热量的散出，均使得SiC-MOSFET更适合用在高温环境。
同时也要注意到，SiC-MOSFET的高速开关也带来了严重的电磁干扰（Electro-Magnetic Interference, EMI），门极电路的工作可靠性也是实际应用中的一大挑战。一般来讲，SiC-MOSFET被认为在高压高频、中大功率电力电子装置中有更好的应用前景。
氮化镓（GaN）是另一种新兴的宽禁带器件材料，GaN晶体管以异质结场效应管为主，又称为GaN高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistors, HEMT）。GaN HEMT器件的结构目前主要有耗尽型和增强型。
图1.22 SiC-MOSFET电路符号与 V-I 特性曲线
对于耗尽型GaN HEMT，要关断器件，必须加负栅压。这意味着电路中一旦有耗尽型GaN HEMT，就会增加栅极驱动设计的复杂性，而且易发生误导通，有直通的潜在威胁，使电路稳定性和安全性降低。增强型GaN HEMT则相反，只有加正偏压才会导通，减小了电路复杂度，稳定性和安全性也较好。目前，增强型GaNFET主要是在耗尽型GaN HEMT结构的基础上改进而成。因此，从电力电子装置实用的角度来讲，具有常断特性的增强型GaN HEMT更具有安全和高效的潜力。
增强型GaN HEMT的封装结构中贴片式的使用较多，直插式的较少，如图1.23所示。贴片式的外部引脚寄生效应影响较小，但不利于散热；直插式则相反，其散热能力较好，但高频时往往易受寄生参数影响。目前，GaN HEMT封装结构常用于以低功耗、高功率密度、高效率为目标的LED驱动、电机驱动、光伏逆变器等中小功率场合。利用GaN HEMT高开关频率、低开关损耗优势，可大幅减小装置体积、提高效率和降低成本。
图1.24a、b分别为GaN HEMT的电路符号和 V-I 特性曲线。GaN HEMT没有寄生体二极管，但有二极管特性，这种结构使得GaN HEMT具有对称的传导特性，即GaN HEMT既可以被正向栅极至源极电压（ V GS ）驱动也可以被正向栅极至漏极电压（ V GD ）驱动，其工作状态可分正向阻断和正向导通、反向阻断和反向关断。图1.24c所示为GaN HEMT的开关工作波形图（与图1.22c基本一致）。
图1.23 常见的GaN HEMT封装形式
图1.24 GaN HEMT的电路符号与 V-I 特性曲线
GaN HEMT器件的结电容非常小，开关速度更高，可以在几纳秒内完成开关过程，有效地减小了开关损耗，有利于工作在兆赫兹开关频率水平。但GaN HEMT也存在电压等级不高、功率容量不大的局限，常用于高频小功率电力电子装置。
从飞速发展的宽禁带器件应用现状来看，现有电力电子电路的设计方法和技巧用于这类高速器件均存在无法充分发挥其性能的窘境，亟需创新的设计思想。再次印证了“一代半导体器件决定一代电力电子技术”，未来研究和应用空间潜力大。
