功率半導(dǎo)體器件是指可在主電路中直接實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或電路控制的電子器件,主要用于電力變換,包括整流、逆變、直流斬波,以及交流電力控制、變頻或變相。不同于其他類型半導(dǎo)體,功率半導(dǎo)體能夠耐受高電壓、大電流,通常工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),是電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心,對(duì)電能高效產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和控制起著關(guān)鍵作用。
功率半導(dǎo)體器件根據(jù)載流子類型可以分為雙極型功率半導(dǎo)體和單極型功率半導(dǎo)體器件。雙極型功率半導(dǎo)體器件包括功率二極管、雙極結(jié)型晶體管(BJT)、電力晶體管(GTR)、晶閘管(Thyristor)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等。單極型功率半導(dǎo)體器件包括功率MOSFET、肖特基二極管等。它們的工作電壓和工作頻率也有所不同。
絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是由BJT(雙極結(jié)型晶體管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件。IGBT可以實(shí)現(xiàn)直流電和交流電之間的轉(zhuǎn)換或者改變電流的頻率,有逆變和變頻的作用。
從控制類型上看,功率半導(dǎo)體器件從不可控器件發(fā)展為半控型器件,又發(fā)展為全控型器件。首先用于電力領(lǐng)域的功率半導(dǎo)體器件為硅二極管,包括普通二極管、肖特基二極管等,均屬于不可控器件;然后為晶閘管,晶閘管能夠承受高反向擊穿電壓及大電流,其缺點(diǎn)在于關(guān)斷是被動(dòng)的,需要依賴外部條件,屬于半控型器件:20世紀(jì)60年代,實(shí)現(xiàn)了晶閘管的關(guān)斷,即門極可關(guān)斷晶閘管(Gate Turn Off Thyristor,GTO)。隨著MOSFET 技術(shù)的發(fā)展,20世紀(jì)70年代后期出現(xiàn)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(PowerMOSFET)。至此,全控型器件迅速發(fā)展起來(lái),開(kāi)關(guān)速度及開(kāi)關(guān)頻率普遍高于晶閘管。
功率半導(dǎo)體器件的主要特征包括:①主要功能是實(shí)現(xiàn)大功率電能的變換和控制;②最重要的參數(shù)是其所能處理的功率,或者說(shuō)所能承受的電壓、電流范圍,通常遠(yuǎn)大于一般電子器件;③為了盡可能地避免功耗,一直處于開(kāi)關(guān)狀態(tài),由專門的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制其導(dǎo)通或關(guān)斷:④自身功耗較大,需要安裝散熱器以提高器件或系統(tǒng)的散熱能力。