電力電子學(xué)是在上個(gè)世紀(jì)的七十年代形成的，在這以前，人們稱它為變流技術(shù)，或者稱之為功率變換技術(shù)。它是從四五十年代的整流技術(shù)發(fā)展過來的。早期從事這行業(yè)的，有西安整流器研究所，全國(guó)各大整流器廠，美國(guó)的國(guó)際整流器公司等等。西安整流器研究所的前身，機(jī)械部電器科學(xué)研究院半導(dǎo)體研究室是中國(guó)最早從事功率半導(dǎo)體的單位。成立于1947年的國(guó)際整流器公司也被認(rèn)為是美國(guó)最早的半導(dǎo)體公司。 當(dāng)晶閘管發(fā)展成為一個(gè)大家族，當(dāng)一些關(guān)斷時(shí)間短或易于關(guān)斷的器件逐步發(fā)展后，逆變應(yīng)用漸漸上升為主導(dǎo)的應(yīng)用。此時(shí)學(xué)術(shù)界就提出應(yīng)該有一門新的學(xué)科來歸類這方面的發(fā)展。于是相對(duì)于信息電子學(xué)就有了電力電子學(xué)。前者處理信息而后者處理功率。更多的自動(dòng)控制理論及新型電子技術(shù)也就被引入到這門學(xué)科中來。當(dāng)時(shí)的應(yīng)用方向偏重于工業(yè)應(yīng)用、車輛拖動(dòng)和電力系統(tǒng)，因此人們最關(guān)心的是大功率方向的發(fā)展。例如雖然已有了雙向晶閘管在家電方面的廣泛應(yīng)用，但中國(guó)在七十年代，依然鎖定了雙向晶閘管向工業(yè)應(yīng)用方向的發(fā)展。其后也沒有發(fā)展為家電用的雙向晶閘管。 中國(guó)在大功率半導(dǎo)體方面，和國(guó)外的差距一直并不很大。由于中國(guó)大量基本建設(shè)的需要，因而相對(duì)于國(guó)外，在現(xiàn)階段大功率半導(dǎo)體器件有更多的用武之地。近年來先后有一些重大項(xiàng)目引進(jìn)，更進(jìn)一步縮短了和國(guó)外的差距。這是電力電子發(fā)展的一個(gè)方面?？赡芤彩俏覈?guó)電力電子學(xué)會(huì)一貫重視的一個(gè)主要方面。 八十年代初MOS型器件興起后，經(jīng)過十余年的發(fā)展，電力電子更多地覆蓋到了另一些領(lǐng)域， 如4C產(chǎn)業(yè)（Communication 通訊、Computer 電腦 、Consumer 消費(fèi)電器、Car 汽車）。此時(shí)，其技術(shù)的先進(jìn)性較少強(qiáng)調(diào)功率 的大小，而是著重于給這些產(chǎn)業(yè)提供效率更高、體小質(zhì)輕的電源。如果說，大功率的電力電子強(qiáng)調(diào)的是執(zhí)行系統(tǒng)，小功率的電力電子則強(qiáng)調(diào)電源供給。若把微電子比喻為腦子，則大電力電子強(qiáng)調(diào)手足的作用，而小電力電子強(qiáng)調(diào)心臟的作用。我國(guó)的電源學(xué)會(huì)自然會(huì)更重視后者的作用。但兩者都屬于電力電子。我相信兩個(gè)學(xué)會(huì)都會(huì)關(guān)心電力電子在兩個(gè)方面的發(fā)展。 綜上所述，是各種晶閘管的二十年發(fā)展，為電力電子在工業(yè)、拖動(dòng)、電力系統(tǒng)的發(fā)展打好了基礎(chǔ)。電力電子學(xué)也因此形成。而其后的各種MOS型器件又經(jīng)歷了二十年的發(fā)展，也為4C產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。使電力電子技術(shù)向前邁了一大步。當(dāng)前由于微電子和電力電子的進(jìn)一步結(jié)合，功率半導(dǎo)體器件正在邁出第三步，可以表現(xiàn)在以下三個(gè)方面： 1）新型功率半導(dǎo)體器件的芯片制造正愈來愈多地采用了集成電路的芯片技術(shù)，換句話來說，功率半導(dǎo)體器件正在采用亞微米技術(shù)并向深亞微米方向發(fā)展。認(rèn)為功率半導(dǎo)體器件只是一種低工藝水平技術(shù)的概念現(xiàn)在應(yīng)該作出改變。當(dāng)然，功率半導(dǎo)體器件的制造并未采用當(dāng)年最先進(jìn)的IC工藝技術(shù)，但這些差別卻使利用較為便宜的設(shè)備成為可能，從而降低制造成本，這一點(diǎn)對(duì)功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展是很重要的。 2）不僅是芯片技術(shù)，功率半導(dǎo)體器件的封裝技術(shù)也正向集成電路靠攏。過去一些年來，集成電路的封裝熱點(diǎn)是采用BGA（球柵陣列）和MCM （多 芯片模塊）技術(shù)，這些也已逐步成為新型功率半導(dǎo)體器件采用的封裝方式。如IR的FlipFET及iPOWIR都采用了BGA技術(shù)，而iPOWIR同時(shí)又是最典型的MCM 技術(shù)。當(dāng)然功率半導(dǎo)體器件在散熱方面比集成電路有更高的要求，過去晶閘管包裝中常見的雙面散熱，現(xiàn)在也第一次被用在MOS器件中來，DirectFET即為其中的一例。關(guān)于DirectFET, 本文將對(duì)它作一簡(jiǎn)短的專題介紹。 3）目前的一個(gè)新趨勢(shì)是：功率半導(dǎo)體器件和集成電路往往被組合在同一個(gè)芯片或是同一個(gè)封裝中。也即是說，把更多功能的控制部分和功率部分、或保護(hù)電路都組合在一個(gè)器件中。過去人們所指的功率集成電路，主要是指高壓驅(qū)動(dòng)電路，即用來驅(qū)動(dòng)較高壓的MOSFET或IGBT所用的集成電路。而當(dāng)前卻產(chǎn)生了一類稱為功率管理用的集成電路及其相關(guān)的功率器件。其電壓可能不高，但控制功能大大加強(qiáng)。最典型的是DC－DC應(yīng)用中的一些器件。因此，認(rèn)為功率器件只是指分立器件的概念已經(jīng)有了根本轉(zhuǎn)變。例如IR公司生產(chǎn)的和IC相關(guān)或具有特殊功能的先進(jìn)器件已超過常規(guī)的分立器件，而且正進(jìn)一步向生產(chǎn)“系統(tǒng)”的方向發(fā)展。有一個(gè)說法是，今后系統(tǒng)及IC等先進(jìn)器件的生產(chǎn)將成為主體。在這樣一個(gè)發(fā)展過程中，功率管理（Power Management）這個(gè)用語就變得愈來愈普遍。 國(guó)外關(guān)于功率管理的提法，已經(jīng)相當(dāng)普及，特別是在和4C產(chǎn)業(yè)有關(guān)的電力電子行業(yè)。其出現(xiàn)的頻繁度甚至高于原有的電力電子。一些國(guó)外的生產(chǎn)企業(yè)，常自稱為功率管理專家。這方面其實(shí)并不存在矛盾，因?yàn)楣β使芾碇皇请娏﹄娮影l(fā)展到現(xiàn)階段在某些領(lǐng)域的一個(gè)新提法。相對(duì)于電力電子而言，功率管理更強(qiáng)調(diào)了“管理”。強(qiáng)調(diào)了控制這方面的功能。Power這個(gè)字，其意義可為功率、電力或者電源。Management也可理解為管理或處理。所以其中文譯名可以有很多種。但功率管理這四個(gè)中文字，已多次在國(guó)內(nèi)出現(xiàn)，也許這會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)用語方面增添一些麻煩。但國(guó)外的許多用語，有它自己的發(fā)展過程，新的用語出現(xiàn)常常很多。我們應(yīng)該對(duì)這些新用語的出現(xiàn)從技術(shù)角度有更深的理解。 功率變換（Power Conversion）過去幾乎就是電力電子的代名詞。國(guó)外 的一本雜志，曾將電力電子的刊名改為功率變換及智能運(yùn)動(dòng)（PCIM）。但功率變換還不能全部包括電力電子中功率管理的內(nèi)容。如功率因數(shù)調(diào)整＊及低壓差穩(wěn)壓器（LDO）等等。LDO廣泛用于電腦的電源中，作為小范圍電壓的調(diào)整與穩(wěn)定。它是一個(gè)IC，同時(shí)也包含功率器件在內(nèi)。例如AC－DC電源中，可以有一個(gè)帶PWM又具有零電壓開通的功率器件，它同時(shí)也是一個(gè)IC。在IR把它稱為集成開關(guān)（Integrated Switch）。這些都是IC和功率器件組合的典型例子 。 今年春天，在PCIM第一次在中國(guó)舉辦的報(bào)告會(huì)和展覽會(huì)上，我曾代表IR同事作了一篇關(guān)于DirectFET的報(bào)告。這是IR公司的一個(gè)新熱點(diǎn)。我想在這里也對(duì)這種器件作一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。 大家知道，現(xiàn)在已經(jīng)有很多采用表面貼裝的功率器件。但那些包裝形式大體是沿用了集成電路的原有包裝。所以從散熱角度來說，不一定最適合于功率器件。DirectFET是第一次把功率器件的雙面散熱引入到表面貼裝型的器件中來。DirectFET的尺寸大小相當(dāng)于SO－8外殼，但外殼本身的電阻僅為0.1毫歐，而SO－8卻為1.5毫歐。因而使器件的電流密度增加一倍，使線路板的面積比原來用SO－8外殼時(shí)減小50％。用一對(duì)DirectFET（控制FET與同步FET）組成的同步降壓變換器，可在1.3伏電壓下提供30安的電流。由此組成的功率系統(tǒng)符合Intel最新的64位處理器Itanium2的功率管理要求。關(guān)于DirectFET的外形可參閱圖一。圖中顯示了器件的兩面，一面可看到一個(gè)柵極和兩個(gè)源極引出部分，它們將直接焊在線路板上。另一面是一個(gè)銅蓋，是漏極也是可散熱的另一面。圖二給出了DirectFET的截面圖，這樣就可以更清楚了解到它的結(jié)構(gòu)。對(duì)習(xí)慣于大功率器件的人來說，會(huì)感到很新鮮的是：DirectFET只有5x6.35x0.7mm大小。這種器件將用于高檔的筆記本電腦、服務(wù)器的電壓調(diào)制模塊、工作站和主機(jī)及先進(jìn)的通訊和數(shù)據(jù)系統(tǒng)中。 我愿意在本文的文末再簡(jiǎn)要介紹一下IC和功率器件在功率模塊方面的結(jié)合?？梢哉f這是較大功率方面微電子和電力電子的結(jié)合。大家都很熟悉 IPM，即空調(diào)中常用的帶智能的IGBT模塊。它實(shí)際上是帶有驅(qū)動(dòng)IC的IGBT模塊。目前更新的模塊層出不窮，按不同的需要形成了一個(gè)大家族。例如PI－IPM指的是可編程序且絕緣的IPM。這種模塊中采用了DSP，而且可以把軟件寫入。以后我將就這個(gè)大家族作一個(gè)專門的介紹。