1.2.3功率mosfet
功率mosfet是一種電壓控制型單極電晶體，它是通過柵極電壓來控制漏極電流的，因而它的乙個顯著特點是驅動電路簡單、驅動功率小；僅由多數載流子導電，無少子儲存效應，高頻特性好，工作頻率高達100khz以上，為所有電力電子器件中頻率之最，因而最適合應用於開關電源、高頻感應加熱等高頻場合；沒有二次擊穿問題，安全工作區廣，耐破壞性強。功率mosfet的缺點是電流容量小、耐壓低、通態壓降大，不適宜運用於大功率裝置。目前製造水平大概是1kv/2a/2mhz和60v/200a/2mhz。
1.2.4絕緣門極雙極型電晶體（igbt）
igbt是由美國ge公司和rca公司於2023年首先研製的，當時容量僅500v/20a，且存在一些技術問題。經過幾年改進，igbt於2023年開始正式生產並逐漸系列化。至90年代初，igbt已開發完成第二代產品。
目前，第三代智慧型igbt已經出現，科學家們正著手研究***溝槽柵結構的igbt。igbt可視為雙極型大功率電晶體與功率場效應電晶體的復合。通過施加正向門極電壓形成溝道、提供電晶體基極電流使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。
igbt集gtr通態壓降小、載流密度大、耐壓高和功率mosfet驅動功率小、開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好的優點於一身，因此備受人們青睞。它的研製成功為提高電力電子裝置的效能，特別是為逆變器的小型化、高效化、低噪化提供了有利條件。
比較而言，igbt的開關速度低於功率mosfet，卻明顯高於gtr；igbt的通態壓降同gtr相近，但比功率mosfet低得多；igbt的電流、電壓等級與gtr接近，而比功率mosfet高。目前，其研製水平已達4500v/1000a。由於igbt具有上述特點，在中等功率容量(600v以上)的ups、開關電源及交流電機控制用pwm逆變器中，igbt已逐步替代gtr成為核心元件。
另外，ir公司已設計出開關頻率高達150khz的warp系列400～600vigbt，其開關特性與功率mosfet接近，而導通損耗卻比功率mosfet低得多。該系列igbt有望在高頻150khz整流器中取代功率mosfet，並大大降低開關損耗。igbt的發展方向是提高耐壓能力和開關頻率、降低損耗以及開發具有整合保護功能的智慧型產品[2]。
二．寬禁帶半導體材料的電力電子器件效能對比
2.1寬禁帶半導體材料
寬禁帶半導體材料（eg大於或等於3.2ev）被稱為第三代半導體材料。主要包括金剛石、sic、gan等。
和第一代、第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有禁帶寬度大，電子漂移飽和速度高、介電常數小、導電性能好的特點，其本身具有的優越性質及其在微波功率器件領域應用中潛在的巨大前景，非常適用於製作抗輻射、高頻、大功率和高密度整合的電子器件。
基於新型寬禁帶半導體材料的電力電子器件具有更優越的效能，成為功率器件的研究熱點。目前寬禁帶半導體器件中碳化矽（sic）和氮化鎵（gan）電力電子器件已有商業化產品，並在某些領域得到應用。
2.2sic
2.2.1sic整流器件
sic功率二極體有三種型別：肖特基二極體（schottky barrier diode， sbd）、pin二極體和結勢壘肖特基二極體（ junction barrier schottky， jbs）。肖特基二極體開關速度快、導通壓降低，但阻斷電壓偏低、漏電流較大；pin二極體阻斷電壓高、漏電流小，但工作過程中反向恢復嚴重， jbs 二極體結合了肖特基二極體所擁有的出色的開關特性和pin結二極體所擁有的低漏電流的特點。
把 jbs 二極體結構引數和製造工藝稍作調整就可以形成混合pin- 肖特基結二極體（mergedpinschottky， mps）。
2.2.2sic 單極型器件
（1）sic mosfet。功率 mosfet 具有理想的柵極絕緣特性、高速的開關效能、低導通電阻和高穩定性。在 si 基器件中，功率 mosfet 獲得巨大成功。
同樣，sic mosfet 也是最受矚目的sic功率器件。
（2）sic jfet。sic jfet 是碳化矽結型場效電晶體，具有導通電阻低、開關速度快、耐高溫及熱穩定性高等優點，具有常開和常閉兩種型別。常開型sic jfet 在沒有驅動訊號時處於導通狀態，容易造成橋臂的直通危險，降低了功率電路的安全可靠性。
對此，semisouth公司推出了常閉型sic jfet，但這種器件的柵極開啟電壓閾值太低（典型值為 1v），在實際應用中容易產生誤導通現象[3]。
2.2.3sic雙極型器件
（1）sic bjt。與傳統si bjt 相比，sic bjt具有更高的電流增益、更快的開關速度及較小的溫度依賴性，不存在二次擊穿問題，並且具有良好的短路能力，是sic可控開關器件中很有應用潛力的器件之一。
（2）sic igbt。sic mosfet 的通態電阻隨著阻斷電壓的上公升而迅速增加。在高壓領域，sicigbt 將具有明顯的優勢。
在結溫為300k時，在晶元功耗密度為200w/cm以下的條件下，mosfet可以獲得更大的電流密度，而在更高的功耗密度條件下，igbt 可以獲得更大的電流密度。但是在結溫為400k 時，igbt 在功耗密度為 50w/cm2以上的條件下就能夠導通比 mosfet 更高的電流密度。
（3）sic gto。在大功率開關應用中，閘流體以其耐壓高、通態壓降小及通態功耗低而具有較大優勢。對碳化矽閘流體的研究主要集中在 gto 上[4]。
2.3gan
寬禁帶半導體材料gan具有禁帶寬度大、飽和電子漂移速度高、臨界擊穿電場大和化學性質穩定等特點。因此基於gan材料製造的電力電子器件具有通態電阻小、開關速度快、高耐壓及耐高溫效能好等特點。與sic材料不同，gan除了可以利用gan材料製作器件外，還可以利用gan所特有的異質結結構製作高效能器件。
2.3.1 gan整流管
gan功率二極體包括兩種型別：gan肖特基二極體（schottky barrier diode， sbd）和 pn 二極體。gan肖特基二極體主要有三種結構：
橫向結構、垂直結構和檯面結構[5]。橫向結構利用algan/gan異質結結構，在不摻雜的情況下就可以產生電流，但橫向導電結構增加了器件的面積以及成本，並且器件的正向電流密度普遍偏小。垂直結構是一般電力電子器件主要採用的結構，可以產生較大的電流，有很多研究機構利用從厚的外延片上剝離下來厚的gan獨立薄片做縱向導電結構的肖特基二極體，但是這樣的外延片缺陷密度高，製造出來的器件雖然電流較大，但是反向漏電也非常大，導致擊穿電壓與gan應達到的水平相距甚遠，因此，對於垂直結構gan肖特基二極體的研究主要還是停留在**以及改善材料特性階段。
檯面結構，也稱為準垂直結構一般是在藍寶石或者sic襯底上外延生長不同摻雜的gan層，低摻雜的n 層可以提高器件的擊穿電壓，而高摻雜的 n層是為了形成良好的歐姆接觸，這種結構結合了橫向和縱向結構的優點，同時也存在橫向和垂直結構的缺點，它最大的優勢在於可以與傳統的工藝相容，並且可以將尺寸做得比較大。
2.3.2 gan高電子遷移率電晶體
在gan所形成的異質結中，極化電場顯著調製了能帶和電荷的分布。即使整個異質結結構沒有摻雜，也能夠在gan介面形成密度高達1×1013 ～ 2×1013cm 2，且具有高遷移率的二維電子氣（ 2deg）。 2deg 溝道比體電子溝道更有利於獲得強大的電流驅動能力，因此gan電晶體以gan異質結場效電晶體（ hemt）為主，該器件結構又稱為高電子遷移率電晶體（ hemt）。
2.3.3 gan mosfet
在高壓功率開關場合，橫向gan mosfet 表現出常斷和大的導帶偏移等優點，使得它們不易受到熱電子注入和其他可靠性問題如表面狀態和電流崩潰的影響，成為替代sic mosfet 和ganhemt的較好選擇。隨著gan器件研究的持續公升溫，採用雙極型結概念的雙向異質結gan場效電晶體已問世[6]。該gan場效電晶體中的肖特基和 p-n 結柵極結構排列在藍寶石絕緣基底上，器件間的隔離電壓大於 2kv，正嚮導通電阻和反嚮導通電阻分別是24ω· mm 和 22ω· mm。
三．電力電子器件發展動態
矽材料市場前景廣闊，中國矽單晶的產量、銷售收入近幾年遞增較快，以中小尺寸為主的矽片生產已成為國際公認的事實，為世界和中國積體電路、半導體分立器件和光伏太陽能電池產業的發展做出了較大的貢獻。從高技術應用領域到傳統產業，特別是一些重大工程如三峽、特高壓、高鐵、西氣東輸等，乃至照明和家電等，矽半導體器件都起到了至關重要的作用。由此可見，矽電力電子器件待開發的應用空間仍舊十分廣闊，市場前景仍較好。
但是，矽電力電子器件本身的技術、製造工藝發展空間已經不太大了，矽基電力電子器件的水平已基本上穩定在 109 ～ 1010w · hz 左右，逼近了由於寄生二極體制約所能達到的 si 材料極限。而sic和gan寬禁帶電力電子器件則由於其突出的優勢，代表著電力電子器件領域未來的發展方向。因為寬禁帶器件的使用還不夠成熟，且在**上寬禁帶器件並沒有優勢，而且考慮到安全性、市場使用慣性，完全接受寬禁帶器件還需要一定的時間。
預計在未來至少十年內，si器件仍然會主導功率電子市場。
參考文獻：
[1]錢照明，張軍明，盛況．電力電子器件及其應用現狀和發展 [j]．中國電機工程報， 2014,， 34(29)：5149-5151．
[2]王兆安，劉進軍.電力電子技術[m].北京：機械工業出版社,2009:10-39.
[3]朱梓悅,秦海鴻.寬禁帶半導體器件研究現狀與展望 [j]. 電氣工程學報,2016,11(1):1-11.
[4] 王俊，李清輝，鄧林峰，等．高壓sic閘流體在uhvdc 的應用前景 [c]．中國高校電力電子與電力傳動學術年會， 2015．
[5] 曹峻松，徐儒，郭偉玲．第 3 代半導體氮化鎵功率器件的發展現狀和展望 [j]．新材料產業，2015(10)： 31-38．
[6]李迪，賈利芳，何志，等．gan基 sbd 功率器件研究進展 [j]．微納電子技術， 2014， 51(5)： 277-285， 296．
基於LLC拓撲的寬電壓輸出LED驅動電源研究
摘要 半橋llc 諧振變流器作為中功率開關電源的最佳拓撲選擇，通常應用在恆壓輸出場合中。針對用於led驅動的高效率恆流電源的dc dc 部分，這裡提出一種適用於寬範圍輸出的新設計方法，並給出設計流程，分析了對設計引數的影響和高效率優化。同時根據所述設計原則構建了一台140 w 的半橋llc 變流器樣...
寬動態與強光抑制應用原理的區別與環境應用
在生物遺傳領域中，dna不同的排列順序會導致不同的生物體出現。簡單地說，dna就是遺傳資訊載體。在安防監控領域中，應對不同的環境則採用不同的監控技術 寬動態與強光抑制攝像機看似一樣，但各自又有不同應用特性，或許 監控dna 能夠說明二者之前的聯絡與不同。如果說由於外部環境光變而引發的監控技術，那麼這...
CCD寬動態攝像機擴充套件範圍與測試方法
2011 04 13 cbsi中國 型別 cbsi中國 pchome 作者 陸裡進責編 李濤 在安防監控領域，所謂攝像機寬動態，即wdr wide dynamicrange 實際上是指攝像機同時可以看清楚影象最亮與最暗部分的照度比值。因此，寬動態攝像機的動態範圍，就是表示攝像機對影象的最 暗 和最 ...