1.2.1 器件發展與分類

電力電子技術是以功率半導體器件技術及其應用為綱發展的。20世紀40年代發展的晶體管技術奠定了功率半導體器件發展的基礎，60年代晶閘管的工業化應用推動了電力電子技術的迅猛發展。之后，70年代和80年代分別出現了功率MOSFET和IGBT，典型的功率MOSFET具有高開關頻率、耐壓低、大電流和通態電阻大的性能。與之相比，IGBT則是開關頻率較低、耐壓高和通態壓降小。2000年前后開發了寬禁帶材料如碳化硅SiC（silicon carbide）和氮化鍺GaN（gallium nitride）器件，這兩種寬禁帶器件的主要特點是反向恢復電荷少、耐高溫。總之，電力電子器件在向高開關頻率、低開關損耗、耐高電壓、大電流、耐高溫、高功率密度技術方向發展。

從控制的角度，功率半導體器件是一種通過弱電信號觸發器件強電信號導通或截止的信號轉換器件。根據弱電信號控制強電信號的可控性，功率半導體器件可分為不可控型器件、半控型器件和全控型器件。其中，功率二極管是不可控型器件，它沒有控制信號，導通或截止由其端電壓決定。晶閘管是半控型器件，它的門極信號可使其觸發導通，但是不能使其截止。功率晶體管、功率MOSFET和IGBT是全控型器件，它們的基極或柵極信號能夠觸發器件導通，也能使它們截止。

根據器件基極、門極或柵極的載流子工作機理，功率半導體器件可分為電流型和電壓型觸發導通器件。其中，晶閘管和功率晶體管屬于電流型觸發導通器件，而功率MOSFET是電壓型觸發導通器件，IGBT則是混合型觸發導通器件。電流型器件的基極或門極需要流過一定寬度和強度的電流觸發脈沖，才能使器件觸發導通。它的驅動電路較為復雜，功耗較大。而電壓型器件的柵極僅需電壓信號驅動而使其導通或截止，器件的驅動電路簡單且功率小。

從半導體材料角度，功率半導體器件可分為硅基材料器件和寬禁帶材料器件。SiC和GaN半導體材料的禁帶寬度是硅基材料1.12eV的3倍左右，擊穿場強至少是硅基材料0.3×106V/cm的10倍，因此在耐壓相同的情況下SiC和GaN功率半導體器件比硅基器件的晶元尺寸更小。由于載流子飽和漂移速度更快，寬禁帶器件的導通電阻更小。SiC和GaN半導體材料耐熱系數高，使得由它們制成的功率半導體器件的散熱鉛殼更小。更小的晶元和散熱鉛殼，使得寬禁帶功率半導體器件的功率密度更大。而且，更小的晶元使得寬禁帶功率半導體器件的寄生元件更小，具有更小的浪涌電流或浪涌電壓，有利于器件開關速度的提高。同時，由于反并聯二極管采用寬禁帶材料基的肖特基二極管，二極管反向恢復損耗也更小，恢復時間更短。因此，寬禁帶器件滿足汽車對高功率密度和耐高溫功率半導體器件的需求，它們在新能源汽車的電驅動、快速充電和DC-DC轉換方面具有廣闊的應用前景。