首先，电力半导体器件的发展与半导体器件（电子技术领域）的发展密切相关，前者是在后者的基础上发展起来的。随着技术的不断进步，两者发展的侧重点不同而形成现在这样两个彼此独立又相互联系的分支。另外，如前所述，电力半导体器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此电力电子技术的发展史是以电力半导体器件的发展史为纲。目前电力半导体器件仍在不断推陈出新、迅速发展，回顾其历史，始终沿着大容量、高频率和智能化的方向发展。

在20世纪50年代中期之前，在电力系统中起整流和开关作用的有源电子器件主要是真空管和离子管等电真空器件。这期间，1904年出现了电子管（Vacu-um tube），能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电中，从而开创了电子技术之先河。20年代末出现了汞弧整流器（Mercury Rectifier，也称水银整流器），其性能和后来的晶闸管（Thyristor）很相似。在30～50年代，是汞弧整流器迅速发展并大量应用的时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所、轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。金属-半导体接触的整流效应在20世纪初叶即为人所知，并在二战时期投入雷达检波信号处理。1947年美国贝尔实验室发明晶体管（Transistor），引发了电子技术的一场革命。具有电流开关和放大作用的晶体管在发明后很快投入实际的助听器等应用中，但这些有源器件的功率都很小，主要用于信号处理。

1957年美国通用电气公司研制出第一只晶闸管，标志着电力电子技术就此诞生。当时，由于其优越的电气性能和控制性能，很快取代了汞弧整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大，电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业（轧钢用电气传动，感应加热）、电力工业（直流输电，无功补偿等）的迅速发展，也有力地推动了晶闸管的进步。在其发明后的20多年中，晶闸管及其派生器件在功率处理能力和开关频率方面的不断改善，发挥了半导体器件相对于电真空器件体积小、能耗低的超强优势，对缩小电力电子变换器系统的体积，降低成本起到了极其关键的作用。然而，这些电流控制型器件需要有相当大的功率输入，其控制电路因需要使用分立元器件而变得很复杂，从而阻碍了电力电子变换器体积和成本的进一步缩小。同时，普通晶闸管只能控制导通而不能控制关断，且开关频率相对较低，处于这个阶段的电力电子技术相对来说还比较幼稚，应用领域相对较窄。

20世纪70年代后期，以门极关断晶闸管（GTO）、大功率双极型晶体管（BJT）和功率场效应晶体管（功率MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展，其中GTO是在1964年前后在美国诞生的，在70年代末逐渐成熟。GTO的特点是具有电力半导体器件中较大的容量，不过相应的工作频率也较低，当然低工作频率并不能影响GTO在大功率电力牵引驱动方面的优势。而BJT和功率MOS-FET的产品特点是组成电路灵活成熟，开关时损耗小、时间短，它迅速占领了中等容量和中等频率的电路，得到了广泛的应用。此时，这些全控型器件与普通晶闸管的强制过零关断方式不同，这类器件可用较小的控制极电流或控制极电压令其关断，因而称为自关断器件。需要指出的是，GTO在同等功率容量的晶闸管及其派生器件中工作频率最高，并具有较高的di/dt耐量。但其门极驱动功率大，驱动电路较复杂，且关断过程中电流分布的均匀性差。后来出现的GCT（门极换流晶闸管）从结构到工作原理都与GTO十分相似，可算是在GTO基础上派生出来的一种自关断晶闸管，其特点是阳极电流在关断时向门极换流的时间较普通GTO短，其高频特性有较大的改善。

功率MOSFET这类电压控制型自关断器件，其主要特点是输入阻抗很高，只需要极小的稳态输入电流即可实现器件的开关，不但开关过程的消耗功率低，而且很容易实现与控制电路的单片集成。因此以功率MOSFET为基本器件的电力电子变换器的功能大大增强，而体积却大为缩小，成本大为降低。同时，这类器件还有一个更大的特点，就是其导通过程中没有额外载流子的参与，因而其通断状态的转换过程很快，不会像BJT和GTO之类的双极型器件那样因额外载流子的产生与消失需要一定时间而延迟。功率MOSFET的高频特征，使计算机开关电源这样的功率不太高的电力电子变换器获得很大的性能改善。因此人们曾期望功率MOSFET在所有BJT的应用领域将其取而代之。但是，额外载流子的缺失也给功率MOSFET带来了通态电阻较高、通态损耗较大的问题，尤其是额定电压超过300V的功率MOSFET通态损耗更大。BJT和GTO这些双极型自关断器件，则可以利用电导调制效应而使通态电阻很低。所以功率MOSFET最终只在低压电力电子变换器装置中成功取代BJT。需要指出的是，功率MOSFET及在其基础上发展起来的复合型器件IGBT的兴起，使电力电子技术逐渐走向成熟。

20世纪80年代后期，以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。1982年，由RCA公司和GE公司发明IGBT，经过工艺上不断改进与技术创新，发展速度迅速。IGBT是MOSFET和BJT的复合。它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点集为一体，性能十分优越，非常适合在高频大电流电力电子变换器系统中应用，成为现代电力电子技术的主要器件。IGBT推向市场后，很快在高压应用领域取代BJT和晶闸管。目前，除特大功率应用场合还在继续使用传统晶闸管和GTO外，大多数电力电子变换器系统和装置都改用功率MOSFET和IGBT之类的现代电力半导体器件。即便是像电车和电力机车这些原本专属GTO的大型牵引装置，高压大电流IGBT也正在逐渐取而代之。

当时，MCT（MOS控制晶闸管）曾被预言成为新世纪电力半导体器件主力，这种器件将MOS栅应用于晶闸管（或GTO），而且不仅用其实现晶闸管的开通，也用其实现晶闸管的可控关断。由于保留了晶闸管的双向电导调制，MCT的通态电阻几乎不随额定阻断电压的提高而增大。不过，MCT的开发虽与IGBT同时起步，但至今未能实现真正意义上的商品化。由于其结构与工艺复杂、合格率低、成本太高，又没有达到当年期望的4500V/2000A水平，不仅被日本、欧洲公司先后放弃，而且发明MCT并坚持18年研制、中试的美国哈里斯公司也宣布停止对MCT进一步投资。究其原因，跟IGBT超乎预料的高压、大电流化有很大关系。在取代GTO的可能性方面，当初谁也没有料到IGBT会捷足先登。

不过，MCT的设计理念还是给予了人们很多改造GTO的启发，IGCT就是在这个时候问世的。IGCT是集成门极驱动电路和门极换流晶闸管（GCT）的总称，也有人称“发射极关断的晶闸管（ETO）”。从某种意义上说，IGCT不单纯是一个器件，而可以看成一个小的系统，所以在电力半导体器件描述时，有时使用GCT来特指IGCT中的门极换流晶闸管。GCT实际上可以看成关断增益为1的GTO，或者是把MOSFET从器件（半导体）内部拿到外面来的MCT。1997年左右，ABB公司和三菱公司合作，把三菱制造的环形门极GTO配以外加的MOS-FET实现了体外MCT的功能，并把这种方案专利化。IGCT自其诞生日起，就一直是高压大容量电力电子变换器装置中的主力器件，并与高压IGBT、GTO一起占领了传统大容量电力半导体器件的应用领域。在IGBT和IGCT应用时，就功率装置的电流和电压而言，这两种器件具有很大的互补性。一般，电压较低时选用IGBT较为合算；电压较高时选用IGCT较为合算。根据应用和设计的标准不同，一定的电压等级，两种器件交叉使用，IGBT更适于功率较小的装置，而IGCT则较适用于功率较大的装置。在一些更大容量的电力电子变换器中，GTO仍发挥着一定的作用。

在20世纪90年后期，功率MOSFET、IGBT等器件处于高速发展中。对于功率MOSFET，1998年国际整流器公司宣布用于开关电源的功率MOSFET，其结构采用CoolMOS工艺技术，其晶体管性能比当时现有的器件高5倍。其沟槽结构使功率FET缩小了器件元胞体积，增强了器件的雪崩击穿能力，有效地减小了导通电阻，降低了驱动电压。这类器件现在广泛应用于各种移动信息终端和电源电路中。而IGBT方面也采用了多种新型的工艺和技术，其中有代表性的是一种沟槽非穿通型的IGBT，即IEGT（电子注入增强型栅极晶体管）。它是针对IG-BT器件的缺点，新开发出的一种MOS栅结构的电力半导体器件。可以说IEGT融合了IGBT和GTO的优点。在IEGT中，注入增强效应可大大降低其通态压降。由于IEGT结构能方便地增加阴极侧的载流子积累，从而在不增加通态压降的条件下，控制阳极侧的载流子浓度，减小尾部电流。因而，IEGT解决了IGBT中耐压提高后关断特性与通态压降特性无法同时提高的矛盾。为了更好地理解器件发展情况，图1-7给出了几种典型的高压大容量电力半导体器件的发展水平示意图。图1-8中给出了4.5kV/630A的IGCT和6.5kV/600A的IGBT实物图。(www.daowen.com)

图1-7 几种典型的高压大容量电力 半导体器件额定电压、电流

图1-8 IGCT和IGBT实物图

同样在20世纪90年后期，即IGBT问世之后大约10年，碳化硅和氮化镓等宽禁带新型半导体材料的研发进展引起了电力半导体器件专家们的注意，由此产生了对宽禁带电力半导体器件的兴趣。这是因为硅工艺的长足进步已使硅器件在很多方面的性能都逼近了它的理论极限，继续像前40年这样通过器件原理的创新、结构的改善及制造工艺的进步来提高电力半导体器件的总体性能，已没有太大发展空间。更大的、突破性的提高，只能从器件制造材料的改弦更张中寻找出路。

基础研究表明，使用碳化硅（SiC）制造的电力半导体器件，可在硅器件无法承受的高温下长时间稳定工作，其最高工作温度有可能超过600℃，远高于硅器件的150℃。作为一种典型的宽禁带半导体，碳化硅不但禁带宽，还具有击穿电场强度高、载流子饱和漂移速度高、热导率高、热稳定性好等特点。如果用碳化硅制造没有电导调制效应的单极型器件，在阻断电压高达10kV的情况下，其通态压降仍然会比具有极强电导调制效应的硅双极型器件（譬如硅晶闸管）还低，而单极型器件的工作频率要比双极型器件高得多。可以预见，电力电子技术有可能从碳化硅、氮化镓（GaN）等宽禁带材料的实用化中得到的好处，就不仅是整机性能的改善，还有整机体积的大幅度缩小，以及对工作环境的广泛适应性。

在全面开展碳化硅电力半导体器件研发工作大约10年之后，碳化硅肖特基势垒二极管揭开了器件变革的序幕。现在，不但有耐压最高1200V、电流最大20A的SiC肖特基势垒二极管系列产品出售，耐压600V的GaN肖特基势垒二极管也已由Velox公司首先推入市场。这些器件都具有反向漏电流极小、几乎没有反向恢复时间等明显优点；其高温特性也非常好，从室温到管壳限定的175℃，其反向漏电流几乎没有什么增加。目前，许多公司已在其IGBT变频或逆变装置中用碳化硅肖特基势垒二极管替代硅快恢复二极管，取得提高工作频率、大幅度降低功率损耗的明显效果，其总体效益远远超过这些器件与硅器件之间的价格差异造成的成本增加。

回顾电力半导体器件发展的历程，器件已经有了长足的发展和进步，然而面向现代电力电子变换器应用的不断扩大，器件仍不能满足人们对其的期望。晶闸管、GTO和IGBT是大家所公认的电力半导体器件发展平台，我们在期待下一代发展平台。