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在SiC商业化生产基础上，各种SiC功率开关器件(如MOSFET、MESFET、JFET、IGBT、SIT、GTO、BJT等)相继研制成功。虽然近年来SiC功率开关器件取得了长足的进步，各种SiC功率开关器件的特性和功率容量不断提高，但大规模商业化SiC功率开关器件还依赖于高质量、大面积无缺陷及低成本SiC材料的发展以及器件结构优化和可靠性机理的研究。随着LED应用的迅速发展，GaN材料及器件正成为功率半导体的发展热点。基于AIGaN/GaN材料的器件具有比SiC***的导通电阻和大直径硅基GaN外延技术的成熟并逐步商业化，使得GaN功率半导体从微波功率器件向功率整流、功率开关和功率集成发展。

SiC和GaN宽禁带半导体功率器件在将来虽不太可能全面取代硅功率MOSFET、IGBT 和GTO(包括IGCT)。但是从长远看，有可能形成如下一种格局:SiC电力电子器件将主要用于1200V以上的高压工业应用领域；GaN电力电子器件将主要用于900V以下的消费电子、计算机、服务器电源应用领域。

2.6.3 Sic宽禁带半导体功率器件

SiC宽禁带半导体器件主要包括功率整流器(SBD、PiN和JBS等)、单极型功率晶体

管(MOSFET、JFET等)和双极型载流子功率晶体管(BJT、IGBT和GTO等)。

SiC功率二极管主要有三种类型:肖特基二极管(SBD--schottky barrier diode)、PiN二极管和结势垒肖特基二极管(JBS--junction barrier schottky)。肖特基二极管SBD 开关速度快、导通压降低，但阻断电压偏低、漏电流较大；PiN二极管阻断电压高、漏电流小，但工作过程中反向恢复严重；JBs二极管结合了肖特基二极管所拥有的***开关特性和PiN结二极管所拥有的低漏电流的特点。把JBs二极管结构参数和制造工艺稍做调整就可以形成混合PiN-肖特基结二极管(MPs---merged PiN schottky)。目前，商业化的SiC 二极管主要是肖特基二极管，Infineon、Cree和Rohm等半导体器件公司已可提供电压等级为600V、1200V和1700V的SiC SBD商业化产品。

SiC MOSFET基于SiC其高临界击穿场强的特点，结合与传统Si材料同量级的介电数和电子迁移率，在同等工作电压环境中，SiC MOSFET 的漂移层可以做得更薄，从市到比Si MOSFET低的导通电阻。同时，SiC材料的耐高温特性也进一步扩大了MOSFET 的应用优势，在***情况下其工作特性依然稳定。此外，SiC MOSFE的二极几乎没有反向恢复情况，更加有利于SiC MOSFET实际应用中开关频率的提高和条统整快效率的提高。SiC MOSFET 目前面临的两个主要挑战是栅氧层的长期可靠性问题和沟道: 阻问题。目前上市的SiC MOSFET 商业化产品的电压定额主要是900V、12001y 1700V等。

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SiC JFET是碳化硅结型场效应管，具有导通电阻低、开关速度快、耐高温及热稳定性高等优点，具有常开和常闭两种类型。常开型SiC JFET在没有驱动信号时处于导通状态容易造成桥臂的直通危险，降低了功率电路的***性。对此，Semisouth 公司推出了发闭型SiC JFET,但这种器件的栅极开启电压阈值太低(典型值为1V),在实际应用中容员产生误导通现象。

与传统Si BJT相比，SiC BJT具有更高的电流增益、更快的开关速度及较小的温度依赖性，不存在二次击穿问题，并且具有良好的短路能力，是SiC 可控开关器件中很有应用港力的器件之一。

在高压领域，SiC IGBT将具有明显的优势。由于受到工艺技术的限制，SiC IGBT的起步较晚，高压SiC IGBT面临两个挑战:***个挑战与SiC MOSFET器件相同，沟道缺陷导致的可靠性以及低电子迁移率问题；***个挑战是N型IGBT需要P型衬底，而P型衬底的电阻率比N型衬底的电阻***50倍。目前，在实验室条件下，高压SiC IGBT器件已达到27.5kV耐压水平。

在大功率开关应用中，晶闸管以其耐压高、通态压降小及通态功耗低而具有较大优势。对碳化硅SiC晶闸管的研究主要集中在GTO上。国外 SiC器件发展较为迅速，多家公司都已推出商业化SiCGTO产品，并建立了强大的研发支撑力量。

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SiC半导体的优异性能使得基于碳化硅的电力电子器件(简称碳化硅基器件)与硅基器件相比具有突出的优点，如***的导通电阻、更高的击穿电压、***的结-壳热阻、极限工作温度有望达到600o℃以上、抗辐射能力较强、正向和反向特性随温度的变化很小、更高的稳定性、开关损耗小和在几十千瓦功率等级能够工作在硅器件难以实现的更高开关频率(大于20kH2)状态等。

GaN具有禁带宽度宽、饱和电子漂移速度高、临界击穿电场大和化学性质稳定等特点。因此，基于GaN材料制造的电力电子器件具有通态电阻小、开关速度快、高耐压及耐高温性能好等特点。与SiC材不同，GaN除了可以利用GaN材料制作器件外，还可以利用GaN所***的异质结结构制作高性能器件。GaN可以生长在Si、SiC及蓝宝石上，由于在价格低、工艺成熟且直径大的Si衬底上生长，GaN 具有低成本、高性能的优势，因此受到广大研究人员和电力电子厂商的青睐。

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2.6.4GaN宽禁带半导体功率器件

与SiC器件类似，GaN器件是半导体器件的另一研究热点。GaN宽禁带半导体功率器件主要包括:GaN功率整流器(SBD和PiN二极管)、GaNHEMT和GaNMOSFET等结构。

GaN功率二极管包括两种类型:GaN肖特基二极管和PiN二极管。目前，商业化的GaN SBD的耐压限制在600V,600v到1.2kV耐压范围内的商用GaN SBD在不久的将来也会问世。在GaN PiN研究方面，由于在GaN材料上形成PN结技术不成熟，因此报道较少。

在GaN所形成的异质结中，极化电场***调制了能带和电荷的分布。即使整个异质结结构没有掺杂，也能够在GaN界面形成密度高达1×1013~2×1013cm-2且具有高迁移率的二维电子气(2DEG)。2DEG 沟道比体电子沟道更有利于获得强大的电流驱动能力，因此GaN晶体管以GaN异质结场效应管(HEMT)为主，该器件结构又称为高电子迁移率晶体管(HEMT)。GaN HEMT有常通型和常断型两种，常通型GaN HEMT使用的较少，而击穿电压在30~600V范围内的常断型GaN HEMT的器件已经商业化。比如EPC公司供应从30V/9.5A到300v/6.3A的常断型GaN HEMT;GaN Systems公司提供耐压650v的增强型GaN HEMT。

常用功率变换电路在UPS设备中，要经常用到以下三种电路:将交流变换为直流的电路一整流电路对直流电压幅值或极性进行变换的电路--直流/直流变换电路以及将直流变换为交流的电路--逆变电路。本章着重讲述以上三种电路的基本工作原理。