半导体电力开关器件的内部载流子参与对导电影响的分类

P-MOSFET开关器件中只有一种载流子（电子或空穴）参与导电，故称为单极型器件；二极管、晶闸管、GTO晶闸管、BJT中，电子、空穴两种载流子均参与导电，故称为双极型器件。IGBT（MOS管控制的晶体管）是由MOSFET和晶体管复合而成，因此是复合型电力电子器件。单极型器件都是电压驱动型全控器件。IGBT的驱动输入部分是MOSFET，因此IGBT是电压驱动型全控器件。电压驱动型器件的特点是输入阻抗高、所需驱动功率小、驱动电路简单、工作频率高，但通态电压降要大一些。双极型器件大都是电流驱动型器件，电流驱动型器件的共同特点是通态压降小、通态损耗小，但所需驱动功率大，驱动电路比较复杂，工作频率较低。

目前广泛应用的开关器件中，电压、电流额定值最高的可控开关器件是SCR（8kV，6kA），其次是GTO晶闸管（6kV/6kA、8kV/2.5kA），IGCT（4.5kV、4kA），再次是IGBT（3.3kV/4.5kV，800V/2.4kA）、BJT（1.2kV/1kA），最小的是P-MOSFET。允许工作频率最高的是P-MOSFET，其次是IGBT、IGCT和GTO晶闸管，最低的是SCR。近十多年来BJT已逐渐被IGBT所取代，今后在中、高电压大功率应用领域，IGCT可能会取代GTO晶闸管。

半导体开关是利用外加触发驱动电流或电压，改变半导体器件的导电性能而使其处于通态和断态。与普通由触头接通、分离的机械开关相比有两个特点；第一，其开通和关断过程比机械开关快几千倍到几万倍，因此它可以在很高频率下通、断电路，实现电能变换和控制；第二，处于通态时，其等效电阻不可能绝对为零而有1～3V左右的饱和管电压降，处于断态时仍有很小的漏电流，而绝非理想的通态和断态。断态不理想所产生的漏电流（微安级）一般均可忽略不计，通态不理想所产生的管电压降的功耗发热在设计和使用中却不容忽视。

在电力电子变换和控制电路中，开关器件在通态和断态之间周期性转换，要求开关器件开通、关断时间短，通态压降小，断态等效电阻大、漏电流小，器件能承受较大的dv/dt和di/dt；在任何瞬间其承受的电压、电流均不应超过允许值，电压、电流的乘积所对应的功耗不超过发热温升所允许的限定值，器件无论在开通、关断过程中以及在通态、断态时均不超出器件的安全工作区。

从器件的应用手册可以查到各类不同型号器件的各种特性参数和安全工作区。据此，设计者可根据所需的电力变换的类型和特性要求、供电电源情况（DC或AC电压大小、频率等）以及各类开关器件的优缺点，对性能和所需投资综合分析评估，合理地选用开关器件。(www.xing528.com)

用于电力变换电路中的半导体开关器件，其电压、电流的额定值都比较高，因而称为电力电子开关管。其正向导通流过额定电流I_FR时的电压降V_FR一般为1～2V，这比变换电路的额定工作电压要小得多，因此在分析计算电力变换电路特性和波形时，开关管正向电压降V_FR一般可忽略不计。当开关管加反向电压时，只要反向电压小于其击穿电压V_BR，则反向电流仅为反向饱和电流，其值远小于正向导电额定电流I_F（例如小上万倍），所以在分析电力变换电路电压、电流关系时开关管的反向电流也可以忽略不计。因此，电力电子开关管可视为一个正方向单向导电、反方向阻断电压的静态单向电力电子开关。与机械开关相比，电力电子开关的通、断速度极快，但其缺点是：处于断态时，等效电阻并非无限大，因而有一定的漏电流，并不能实现完全地断路隔离；而处于通态时，其等效电阻并不为零，因此正向导电时尽管电压降很小，但正向导电时正向电流的功耗及其发热却不容忽略。在电力电子变换器中半导体电力开关器件的功耗、发热及散热都需要妥善处理。

电力电子器件研制和应用中的一个共同趋势是模块化。现在国内外厂商已能供应各种电力电子开关模块。电力电子开关模块是把同类的开关器件或不同类多个开关器件，按一定的电路拓扑连接并封装在一起的开关器件组合体，有的组合还能直接实现一定的电力变换功能（如整流、逆变）。模块化可以缩小开关电路装置的体积、降低成本、提高可靠性，便于电力电子变换器的设计、研制。更重要的是，由于各开关器件之间的连线紧凑，减小了线路电感，在高频工作时可以简化对缓冲电路和保护的要求。电力电子开关模块又称为功率模块（Power Module）。最常见的拓扑结构有串联、并联、单相桥、三相桥以及它们的子电路，而同类开关器件的串、并联目的是要提高整体额定电压、电流。

电力电子器件发展的另一个趋势是将电力电子开关器件与电力电子变换器控制系统中的某些信息电路环节（如工作状态和运行参数的检测、驱动信号的生成和处理、缓冲电路、故障保护和自诊断等）制作在一个整体芯片上，称之为功率集成电路（Power Integrated Circuit，PIC）。不同的PIC由于其侧重的性能、要求不同，有的被称为高压集成电路（High Voltage IC，HVIC），有的被称为智能功率集成电路（Smart Power IC，SPIC）或智能功率模块（Intelli-gent Power Module，IPM）。在PIC中，高、低压电路（主电路与控制电路）之间的绝缘或隔离问题以及开关器件模块的温升、散热问题一直是PIC发展的技术难点。PIC把电力电子变换和控制系统中尽可能多的硬件以芯片的形式封装在一个模块内，使之不再有额外的引线连接，不仅极大地方便了使用，而且能大大降低系统成本，减轻重量，缩小体积，把寄生电感减小到几乎为零，大大提高电力电子变换和控制的可靠性，PIC实现了电能与信息的集成。今后PIC将使电力电子技术发生革命性的变革。现在将IGBT及其辅助器件，驱动、保护电路集成在一起的IPM已在中、小功率电力电子变换器中得到应用。使用IGBT的IPM其额定值已达4500V、1000A或3300V、1200A，较大功率的IGCT模块也已开始应用。PIC实现了电能变换和信息处理的集成化，它与高频化、数字化一样是电力电子变换和控制技术的发展方向。

从第一个电力半导体可控开关晶闸管发明（1957年）至今50年间，半导体电力开关器件的类型、电压、电流额定值及特性已经有了重大发展和改进。近半个世纪中，半导体开关器件一直使用硅材料，硅是20世纪下半叶最成功、最成熟的电力半导体器件材料，但硅材料半导体器件的临界击穿电场强度并不高，器件阻断电压不高。基于多年的研究结果得知：宽禁带半导体材料如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等，其临界击穿电场强度比硅高上10倍，器件的工作温度可达300℃，PN结耐压易于做到5kV，通态电阻小，导热性也很好，其本征半导体载流子浓度比硅小十几个数量级，故漏电流特别小。一旦解决材料提纯和结晶工艺方面的问题，碳化硅、氮化镓器件的微细加工工艺和高温运行的外围技术获得突破，那么以碳化硅、氮化镓等为材料的电力电子器件将很快实用化，那时电力电子技术在高压、大功率应用中将会有一个飞跃发展。