根據器件所用半導體材料、制造工藝、工作機理及器件開通和關斷的控制方式的不同,功率器件有各種各樣的分類方式。
1.按器件控制特性分類
按照功率半導體器件控制特性來分類,習慣上根據器件的開通、關斷控制特性的不同,可分為不可控型、半控型和全控型3大類。
◎ 不可控型器件
不可控型器件主要為各種不同類型的功率二極管,比如大功率二極管、快恢復二極管和肖特基二極管等。這類器件一般為兩端器件,其中一端為陽極,另一端為陰極,其開關操作僅取決于施加于器件陽、陰極間的電壓,正向導通,反向阻斷,流過其中的電流也是單方向的。由于其開通和關斷不能通過器件本身進行控制,故這類器件稱為不可控型器件。
◎ 半控型器件
半控型器件主要指晶閘管(SCR)及其派生器件,如雙向晶閘管、逆導晶閘管等。這類器件一般是三端器件,除陽極和陰極外,還增加了一個控制用門極。半控型器件也具有單向導電性,其開通不僅需在其陽極和陰極間施加正向電壓,而且必須在門極和陰極間輸入正向可控功率,稱之為“開通可控”。然而,這類器件一旦開通,就不能在通過門極控制關斷,只能從外部改變加在陽、陰極間的電壓極性或強制陽極電流變成零,所以把它們成為半控型器件。晶閘管的最大特點是價格低廉、可靠性高,但是由其組成的變換器的性能一般,尤其在諧波抑制性能上較弱。
◎ 全控型器件
全控型器件種類較多,工作機理也不盡相同,包括BJT、GTO、功率MOSFET、IGBT等。這一類器件也是帶有控制端的三端器件,其控制端不僅可控制其開通,而且也能控制其關斷,故稱為全控型器件。由于不需要外部提供關斷條件,僅靠自身控制即可關斷,所以這類器件也稱為自關斷器件。在實現電力電子變換器過程中,采用全控型器件的變換器拓撲和控制均比半控型器件要簡單,可以方便的實現斬波調壓、脈寬調制(PWM)。隨著電力電子變換器容量等級的不斷增長,全控型器件正在逐漸取代晶閘管,如基于IGBT的通用變頻器、光伏逆變器、風電變流器等。
2. 按器件驅動方式分類
◎ 電流控制型器件
電流控制型器件有SCR、BJT、GTO等,這類器件必須有足夠的驅動電流才能使器件導通或者關斷,本質上是通過控制極電流來直接影響器件的行為,器件容量越大,一般需要的驅動功率也越大。對于GTO和SCR來說,需要的是脈沖電流控制,而對于BJT則需要采用持續的電流控制,前者的驅動電路相對復雜,但不需要持續的功率消耗。
◎ 電壓控制型器件
電壓控制型器件有IGBT、MOSFET等,這類器件的開關行為只需要有一定的電壓和很小的驅動電流就可以,因此這類器件只需要很小的驅動功率,驅動電路也比較簡單。另外,采用電壓控制驅動的器件其開關動作一致性相對較好。
◎ 光控型器件
光控型器件一般是專門制造的功率半導體器件,如光控晶閘管。這類器件通過光纖和專用的光發射器來控制器件的開關行為,驅動電路非電化,可以大大增強電路的電磁兼容能力。光控型器件通常用于某些大容量電力電子變換系統。
3.按器件中載流子性質分類
按照功率半導體器件的內部載流子的性質可以分為三大類型,雙極型、單極型和混合型。
◎ 雙極型器件
雙極型器件是指在器件內部電子和空穴兩種載流子都參與導電過程的半導體器件,都是基于PN結原理的結型半導體器件,也稱結型器件。但是結型場效應晶體管(JFET)等器件,其工作時器件內僅有多數載流子參與導電,還是屬于單極型器件。雙極型器件的通態壓降低、阻斷電壓高、電流容量大、開關頻率一般不高。常見的有BJT、GTO、GCT(門極換流晶閘管)。
◎ 單極型器件
單極型器件是指只有一種載流子(即多數載流子)參與導電過程的功率半導體器件,這類器件的開關頻率一般較高,耐壓為幾百伏的器件最高開關頻率可以達到幾十到幾百千赫。這類器件隨著耐壓的提高通態損耗較大,通常用于功率等級較低的電力電子變換器上。典型器件有功率場效應晶體管(Power MOSFET)和靜電感應晶體管(SIT)兩種。
◎ 混合型器件
混合型器件又稱復合型器件,它是由雙極型器件和單極型器件集成混合而成。它們利用耐壓高、電流密度大、導通壓降低的雙極型器件作為功率輸入輸出通道,而用輸入阻抗高、響應速度快的單極型MOS結構作為控制通道,因為兼備了兩者的優點。這類器件典型代表有IGBT和IEGT等。
隨著新材料、新工藝和新技術的采用,也產生了一些新的分類方法。比如,隨著寬禁帶材料的使用,基于SiC和GaN材料的器件正成為功率器件研究的熱點,此時我們可以按照材料特性對功率器件分類,如硅(Si)器件、碳化硅(SiC)器件和氮化鎵(GaN)器件等。
文章來源:三菱電機半導體