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器件的历史演变和新型器件结构的研究进展，以及宽禁带半导体材料和器件的现状；阐述了国内大功率半导体器件在轨道交通、直流输电和
经过 60 余年的技术发展，大功率半导体行业已经开发出多种硅（Si）基功率器件，单极型器件以金属氧化物半导体场效应管（Metal Oxide Semiconductor, MOS）为代表，双极型器件包括二极管、功率晶体管晶闸管等，复合型器件包括绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）等。围绕功率转换，功率半导体器件结构和工艺以提高功率容量、增大功率密度、降低功率损耗和提升能源转换效率为主要的技术发展方向 [1-2]。
功率半导体器件的发展不断推动着能源技术和轨道牵引传动技术的发展。1957 年晶闸管的发明使得牵引传动技术进入电力电子技术时代 [1]，晶闸管的诞生促进了交直传动技术的进步与发展。1965 年第 1 台晶闸管整流机车问世，同时全球也兴起了单相工频交流电网电气化的。20 世纪 70 年代初，大功率晶闸管特别是门极可关断晶闸管（Gate Turn-off Thyristor, GTO）的出现和微机控制技术的发展，推动了交流传动技术逐步取代交直传动技术。20 世纪 90 年代中期，随着高压IGBT 技术的成熟，交流传动功率开关器件被 IGBT 所取代，在高速、重载和城市轨道交通等领域获得广泛应用。
功率半导体技术经过 60 余年发展，器件阻断能力和通态损耗的折衷关系已逐渐逼近硅基材料物理极限，因此宽禁带材料与器件越来越受到重视，尤其是以碳化硅（SiC）和氮化镓(GaN) 为代表的第 3 代半导体材料为大功率半导体技术及器件带来了新的发展机遇。
与集成电路发展一样，功率半导体的起源可以上溯到 1947 年美国贝尔实验室发明的世界上第 1 只锗基双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor, BJT）[1]，基极是控制极，通过较小的输入电流来控制集电极和发射极之间的电压和电流。由于锗基 BJT 在热稳定性方面的缺陷，20 世纪 60 年代逐渐被硅基 BJT 取代，典型的双极型晶体管结构如图 1 所示。功率 BJT 具有低饱和压降和低成本优势，但由于其驱动功率大和热稳定性差，因而逐渐被取代。
1957 年，美国 GE公司发明了第 1 只用于工业功率转换与控制的晶闸管（Silicon ControlledRectifier, SCR）[2]，结构如图 2 所示，通过在栅极和阴极之间加上一定正电压，器件可导通。晶闸管能以小电流控制较大的功率，标志电能的变换、传输和应用进入新的技术发展时代。电力电子变换装置开始广泛应用于工业、交通和能源等各个领域，实现了弱电控制强电，并完成大功率电能控制的目的，电力电子技术得到了飞速发展，其中 4 kA/8 kV等级晶闸管在本世纪初已经进入大批量应用。
在晶闸管发明后的几十年，陆续研究开发了双向晶闸管、光触发晶闸管和非对称晶闸管等新型结构器件 [3]，极大地丰富了晶闸管家族，为交直传动和高压直流输电等大功率应用提供了更多的选择。为了克服晶闸管无法通过栅极关断的弱点，门极可关断晶闸管（GateTurn-off Thyristor, GTO）于 1960 年被推出 [4]，通过门极环绕分立阴极并联、降低导通时饱和深度等结构与工艺优化，实现了门极关断控制，极大地简化了复杂的配套电路，提高了可靠性。目前，GTO 容量已达到 10 kA/10 kV，在各种自关断型器件中容量最大，在电力系统等领域具有明显优势。1997 年，瑞士ABB 公司研发的集成门极换流晶闸管（Integrated Gate Commutated Thyristor, IGCT）将 GTO 单元、反并联二极管和驱动控制电路集成在一起（IGCT 晶圆和典型封装形式如图 3 所示），成为一种具有低成本、低损耗、高功率密度和高可靠性的新型器件。
1959 年，美国贝尔实验室开发出MOSFET[6]，并将其应用于集成电路领域。功率 MOSFET 结构如图 4所示，采用传统 MOSFET 设计原理，通过大量元胞并联和垂直导电结构，实现高耐压和大电流能力，通过改变“栅极 - 源极”之间的电压，件开关状态。功率 MOSFET 是一种压控型器件，具有输入阻抗高、开关速度快和驱动电路设计简单的特点，更容易实现应用系统的集成化，具有正温度系数，有利于多个器件的并联使用。功率 MOSFET 通过多数载流子导电，其开关速度很快，工作频率很高，但随着器件耐压提高，通态电阻急剧增大，二者形成相互制约，限制了其在高压系统中的应用。
在 20 世纪 80 年代初，通过把 MOSFET 与 BJT 的技术优点结合，促成了新型功率器件绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）的发明 [7]，其思路是通过电压控制的 MOSFET 给 BJT 提供基极电流，实现器件的高输入阻抗和低导通损耗。IGBT 由美国 GE 公司和 RCA 公司于 1983 年推出，并于 1986年开始形成系列化产品，结构如图 5 所示，当“栅极- 发射极”之间的电压超过 MOSFET 的栅极阈值电压时，MOS 沟道打开，向 PNP 型 BJT 基极注入电流，开通 BJT。由于集电极侧 P 型半导体向 N 型基区注入少子，在基区中形成了电导调制效应，可在保证耐压的同时，极大地降低导通电阻，形成了耐压与导通电阻的良好折衷关系。IGBT 集 MOSFET 电压控制特性和 BJT 低导通电阻特性于一体，具有驱动简单、驱动功率小、输入阻抗大、导通电阻小、开关损耗低、工作频率高等特点，继承了 MOSFET 较宽的安全工作区（Safe Operation Area, SOA）特性，是电力电子器件家族中最重要的成员之一。IGBT 经历了平面穿通型、平面非穿通型、沟槽栅场截止型和精细沟槽栅型等 7 代结构的迭代优化，并衍生出了逆导型 IGBT（Reverse Conducting IGBT, RC-IGBT）、逆阻型 IGBT （Reverse Blocking IGBT, RB-IGBT）和超级结型 IGBT（Super Junction IGBT, SJ-IGBT）等新型器件结构。
RC-IGBT 将 IGBT 元 胞 和 快 恢 复 二 极 管（Fast RecoveryDiode, FRD）元胞集成在 1 个芯片上 [8]，FRD与 IGBT 反并联连接，其结构如图 6 所示。RC-IGBT 将集电极部分 P 型掺杂区域替换为 N 型掺杂区域，从而与发射极 P 型掺杂区域形成PIN（P-Intrinsic-N）二极管，作为续流二极管使用。目前，RC-IGBT 除了应用在电压谐振外，还扩展到硬开关领域。RB-IGBT 结构如图 7所示 [9]，利用 RB-IGBT 反向并联可实现双向切换，在T 型中点箝位三电平逆变器中，可以提高功率转换效率。
SJ-IGBT 通过在传统 MOSFET 的漂移区中引入超结结构，可达到导通损耗的明显降低 [10]；通过优化电场分布实现在超薄芯片上保持所需的击穿电压。SJIGBT 漂移区由掺杂极性相反但净掺杂浓度相等的柱构成，用来实现电荷补偿，其基本结构如图 8 所示。
第 1 代至第 7 代 IGBT 的结构和性能对比如表 1[11]所示，每一代 IGBT 芯片在电流密度、耐压性能、开关性能和导通性能方面，都比上一代产品更具明显优势，达到了对半导体材料更高效利用的目的。
20 世纪 90 年代，注入增强栅晶体管（Injection Enhanced Gate Transistor, IEGT）[12] 由东芝公司提出，并开始替代 GTO。IEGT 的结构示意如图 9 所示，其元胞结构与 IGBT 类似，但其栅极比 IGBT 更深更宽，增加了栅极至发射极的电阻，阻止载流子流过发射极侧，以增加 N 型基区中发射极附近载流子浓度，这种结构在较高“集电极 - 发射极”电压的情况下，有助于减小导通压降。
经过近 60 多年的持续开发与迭代，传统硅基功率器件性能已经逐渐逼近硅材料的极限，21 世纪初，各国产业龙头相继开始了以 SiC 和 GaN 为代表的宽禁带（Wide Bangap, WBG）器件的研发 [13]。由于 WBG 材料在跃迁能级、饱和漂移速率和导电导热性能方面具有优势， SiC MOSFET 和 GaN 高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor, HEMT）等器件 [14]非常适合应用于高压、高温、高频和高功率密度等领域，这也带来了电力电子器件发展的新机遇。如图 10 所示，宽禁带半导体器件的成熟与应用，极大地拓展了功率半导体器件家族的应用领域，具有了更优异的器件性能和更广阔的开关频率范围。
目前，以 IV 族化合物 SiC 和 III-V 族化合物 GaN为代表的第3代半导体材料成为了最受重视的材料 [15]。SiC 以其 3.26 eV 的宽带隙和高导热率等优异性能，在1 200 V 以上的功率器件应用中得到了长足的发。