功率半導(dǎo)體又稱作電力半導(dǎo)體，是用來對電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對電路進(jìn)行控制，改變電力變換裝置中的電壓或電流的波形､幅值､相位､頻率等參數(shù)的一種半導(dǎo)體器件。一般來說，功率半導(dǎo)體器件與非功率半導(dǎo)體器件沒有嚴(yán)格界定，例如具有1W以上的功率處理能力的半導(dǎo)體器件可以認(rèn)為是功率半導(dǎo)體器件。如整流二極管､雙極型晶體管､晶閘管､GTO*1､功率MOSFET*2､IGBT*3､IPM*4､DIPIPMTM*5都是被廣泛應(yīng)用的功率半導(dǎo)體器件。電力變換裝置是為了完成電力轉(zhuǎn)換，而將功率半導(dǎo)體器件及其附屬電路按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行連接的電力變換系統(tǒng)。為了更好地理解功率半導(dǎo)體，不妨將電力變換裝置看做一匹馬，功率半導(dǎo)體器件就是馬的肌肉，用來為馬提供力量，而其它半導(dǎo)體元器件，如傳感器可以看做是馬的眼睛､鼻子､耳朵；CPU*6可以看做馬的大腦,如圖1所示。這匹馬的力量主要由肌肉決定的，與此類似電力變換裝置的輸出功率大小是由功率器件決定的，如圖2所示，其單位是大家熟知的瓦特（W），功率還有一個(gè)大家不太熟知的單位馬力（hp）,1馬力相當(dāng)于一匹馬把75kg物體在1s內(nèi)提升1米高度所做的功，即1hp=735W。
正如生物進(jìn)化是由環(huán)境決定反過來又重新塑造環(huán)境一樣，功率半導(dǎo)體的誕生和進(jìn)化也是由于人類對于電氣設(shè)備需求的不斷增加和對低成本､高性能的持續(xù)追求下完成的。而功率器件的誕生和進(jìn)化又使電氣設(shè)備及其電力變換裝置發(fā)生了本質(zhì)變化，電力變換裝置的可靠性､功能､成本､效率等各個(gè)方面又隨著新型功率半導(dǎo)體器件的誕生而不斷優(yōu)化發(fā)展。正如在家電領(lǐng)域，作為電力轉(zhuǎn)換裝置的變頻控制器最初采用的是分立功率晶體管，后來被IPM替代，而目前家電領(lǐng)域體積更小､成本更低､功能更強(qiáng)大的DIPIPMTM又替代了IPM成為家電變頻控制器的主流功率器件。功率半導(dǎo)體器件的每一次升級(jí)，都使變頻家電在體積､成本､可靠性､能效､噪聲等方面獲得巨大進(jìn)步。
功率半導(dǎo)體的分類有多種方式，比如按照驅(qū)動(dòng)方式可分為電流控制型器件，這類器件必須有足夠的驅(qū)動(dòng)電流才能導(dǎo)通，隨著器件容量的增加也需要更大的驅(qū)動(dòng)功率，如晶閘管､功率晶體管､GTO等；電壓控制型器件，這類器件的開關(guān)只需要在門極施加一定的電壓和很小的驅(qū)動(dòng)電流即可，因而電壓控制型器件只需要很小的驅(qū)動(dòng)功率，驅(qū)動(dòng)電路也相對簡單，如功率MOSFET､IGBT､IPM､DIPIPMTM等；光控型器件，這種器件一般是專門制造的電力半導(dǎo)體器件，其控制通過光纖和專用的光發(fā)射裝置來實(shí)現(xiàn)非電型控制，從而提高驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾性，如光控晶閘管等。按照功率器件載流子性質(zhì)來分，可以分為雙極型器件､單極型器件､混合型器件。雙極型器件的內(nèi)部存在電子和空穴兩種載流子來參與導(dǎo)電過程，其導(dǎo)通壓降低､阻斷電壓高､電流容量大､開關(guān)頻率一般不高。如功率晶體管､GTO等；單極型器件指器件內(nèi)部只有一種載流子參與導(dǎo)電過程，其開關(guān)頻率一般較高，同時(shí)由于通態(tài)損耗相對較高，因而電流能力比雙極型器件低，適合功率較小的電力轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)用，如功率MOSFET等；混合型器件，也可以稱作復(fù)合型器件，它是由雙極型器件和單極型器件混合而成，因而兼具二者的優(yōu)勢，如耐壓高､電流密度大､導(dǎo)通壓降低，同時(shí)控制部分采用電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小､開關(guān)速度快，如IGBT､IEGT*7､IPM､DIPIPMTM等。需要指出的是與常規(guī)的分立功率器件如功率晶體管､功率MOSFET､分立IGBT等相比，IPM､DIPIPMTM是一種更高層次的電力半導(dǎo)體器件，它的內(nèi)部集成了功率器件與驅(qū)動(dòng)電路､控制電路､保護(hù)電路等，使高壓大電流､發(fā)熱量高的功率器件與低壓小電流的控制電路有機(jī)的結(jié)合起來，使功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用更簡單､可靠性､集成度更高。表1是一些常用的功率半導(dǎo)體符號(hào)及基本電路。關(guān)于IPM與DIPIPMTM的功能介紹，以后的章節(jié)將詳細(xì)展開。
功率半導(dǎo)體器件是各種電力變換裝置的核心，本質(zhì)上它是一種電力開關(guān)，要求能夠在低阻狀態(tài)下流過從幾安培到幾千安培的電流，更能夠在毫秒甚至微秒時(shí)間內(nèi)對高達(dá)數(shù)千伏高電壓､數(shù)千安培的大電流進(jìn)行切斷，通過多個(gè)功率半導(dǎo)體器件按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，在CPU的控制下，就能把電力按照負(fù)載所需進(jìn)行變換，其基本功能框圖見圖3所示。
一般來說電力變換裝置的功能有4種基本型式，即直-交（DC/AC）逆變模式､交-交（AC-AC）變頻模式､交-直（AC-DC）整流模式和直-直（DC-DC）變換模式。圖4是一種通用變頻器常用的AC-DC-AC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過圖4的電力轉(zhuǎn)換裝置,來自電網(wǎng)的固定頻率､電壓的電能被轉(zhuǎn)換成了可以被負(fù)載利用的頻率､電壓可調(diào)的電能。在此電路中，整流橋工作在工頻開關(guān)狀態(tài)，需要承受大電流沖擊；而用于剎車保護(hù)的IGBT與反向功率二極管工作在間歇模式，只有母線電壓超過一定值時(shí)發(fā)揮作用，來防止母線過壓；而逆變電路中的IGBT和反并聯(lián)二極管則工作在高電壓､大電流的高頻開關(guān)模式，其損耗大，EMI*8噪聲也高。
雖然電力轉(zhuǎn)換裝置的形式多種多樣，但一般以功率半導(dǎo)體器件､不同拓?fù)湫问降碾娐泛筒煌目刂撇呗宰鳛榛窘M成元素，因此在分析功率器件的工作狀態(tài)時(shí)，必須結(jié)合具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略來進(jìn)行。
從20世紀(jì)50年代算起，功率半導(dǎo)體器件經(jīng)歷了70多年的發(fā)展，如果對功率半導(dǎo)體器件按照時(shí)間進(jìn)行梳理的話，大體經(jīng)歷了3代。第一代器件主要以功率二極管和晶閘管為代表，是功率半導(dǎo)體器件發(fā)展早期的主要器件。第二代器件主要以GTO､雙極型晶體管和功率MOSFET為代表。這些器件相對于第一代器件最明顯的區(qū)別是能夠進(jìn)行可控開關(guān)。第三代功率半導(dǎo)體器件主要以IGBT､IPM､ DIPIPMTM､IGCT*9為代表的高性能､多功能､高集成度的新一代功率器件。20世紀(jì)90年代后期，以碳化硅（SiC）､氮化鎵（GaN）為代表的新型半導(dǎo)體材料開始在功率器件中得到應(yīng)用，為功率半導(dǎo)體的發(fā)展開啟了新的篇章。圖5對常見功率半導(dǎo)體器件的進(jìn)化歷程進(jìn)行了梳理。
由圖5可以看出，功率半導(dǎo)體器件進(jìn)化的大致方向按照不可控制→電流控制→電壓控制；從小功率→中功率→大功率→超大功率；從分立器件→功率模塊→智能功率模塊→雙列直插智能功率模塊這幾條主線進(jìn)行。三菱電機(jī)作為知名功率半導(dǎo)體器件制造商，一直致力于功率半導(dǎo)體器件的模塊化､智能化，從上世紀(jì)90代起先后開創(chuàng)了智能功率模塊IPM､DIPIPMTM等領(lǐng)域，為功率半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。 在接下來的章節(jié)中，我們將重點(diǎn)圍繞三菱電機(jī)DIPIPMTM產(chǎn)品及應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹，下面的內(nèi)容更精彩，敬請期待！1）功率半導(dǎo)體器件是用來對電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，改變電力變換裝置中的電壓或電流的波形､幅值､相位､頻率等參數(shù)的一種半導(dǎo)體器件。2）整流二極管､雙極型晶體管､晶閘管､GTO､功率MOSFET､IGBT､IPM､DIPIPMTM都是目前被廣泛應(yīng)用的功率半導(dǎo)體器件。3）功率半導(dǎo)體器件的工作方式與其在電路拓?fù)渲兴幍奈恢妹芮邢嚓P(guān)。4）IPM､DIPIPMTM是一種新型功率半導(dǎo)體器件，由IGBT進(jìn)化而來，是比IGBT更高層次､功能更為強(qiáng)大的復(fù)合功率半導(dǎo)體器件。
*1: GTO→門極關(guān)斷晶閘管（Gate turn off Thyristor）*2: MOSFET→金屬場效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）*3: IGBT→絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）*4: IPM→智能功率模塊（ Intelligent Power Module）*5: DIPIPM→雙列直插式智能功率模塊（Dual-in-line Intelligent Power Module）；DIPIPMTM是三菱電機(jī)株式會(huì)社注冊商標(biāo)。*6: CPU→中央處理器（Central Processing Unit)*7: IEGT→電子注入增強(qiáng)型柵極晶體管（Injection Enhanced Gate Transistor)*8: EMI:→電磁干擾（Electromagnetic Interference）*9: IGCT→集成門極換流晶閘管（Integrated Gate Commutated Thyristor）[1]袁立強(qiáng)，趙爭鳴，宋高升，王正元；《電力半導(dǎo)體器件原理與應(yīng)用》
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