在当今能源需求不断增长且对环保要求日益提高的时代，能源转换效率成为了一个关键议题。功率半导体作为现代电子技术的核心组件之一，正扮演着至关重要的角色。它不仅能够有效提升能源转换的效率，还能在诸多领域实现节能和减排的目标。下面电子展小编就来简单聊一聊功率半导体。
01—功率半导体是什么？为什么会有功率半导体？
在现实应用中，电能往往需要被“转换”成不同的形式，比如：交流转为直流（如手机充电器）电压升降（如电动车驱动系统）
频率调节（如变频空调、工业电机）这些转换过程分别需要用到整流器、逆变器、变频器等设备，而这些设备的核心就是功率半导体。功率半导体本质是一个电子开关，通过控制晶体管栅极（G端）的高低电平，实现“集电极->发射极”电流的导通和断开，进而实现更加复杂的电能转换功能。它的设计目标是高效、可靠地处理高电压、大电流或高频率的电能转换。
02—功率半导体用来做什么？上面提到，功率半导体主要用来实现电能转换：交流/直流转换、直流电压升降、频率调节，但它实质就是一个电子开关，又是如何实现这些功能的呢？我们来简单拆解一下：
1. 交流/直流（DC/AC）转换功能 - 逆变器不同于火力发电、水力发电和核电等传统发电形式，通过高温蒸汽或者水流等流体冲击汽轮机/水轮机叶片旋转产生三相交流电，光伏发电、风力发电等新能源电站直接产生直流电，为了能够将电站发出的电量连接上国家的电网系统（目前，电网还是以交流电传输为主），就需要将直流电转换为交流电，这就是逆变器的功用。将直流电，通过功率半导体变为交流电的过程，在行业中称为逆变。下面用常见的功率半导体“绝缘栅双极晶体管（IGBT）”为例进行简单原理说明逆变通常使用由4-6个IGBT组成的H桥电路实现，通过分别控制IGBT的开关状态：交叉同步导通/断开，来实现供电段直流逆变成负载端交流的过程。电能转换与控制：功率芯片通常集成功率半导体器件（如 MOSFET、IGBT、功率二极管等），这些器件开关或调节电流，实现电能的高效转换（直流/交流转换）。
2.直流/直流（DC/DC）转换功能 - 直流变压器因为不同电子设备或子系统对电压的要求不同，而直流供电系统中的电压往往是固定的，必须通过DC/DC变换器将一个电压等级转换为另一个电压等级，满足各种设备的供电需求。 比如电动汽车主电池是400V 或 800V的高压直流电，通过 DC/DC降压给 12的传统电气系统（灯光、中控）或是升压给电机控制器等高功率负载，进而实现能量回收的双向 DC/DC 转换。其核心作用是通过高频通断来调节输出电压的平均值，实现输入直流电压到另一个直流电压的变换。下面是原理简单介绍，直流变压分为降压和升压两个方面，升压降压指得是输入端Vin 经过转换 在负载端实现不同电压Vout的过程。降压模式：始终保持Tr2处于关闭状态，Tr1通过高频控制信号控制导通和关闭；当Tr1处于高电平，电路导通，电感L和电容C充能，负载端电压Vout，D1处于关闭状态；当Tr1处于低电平，电感L释放电能，电流流向，D1、D2导通，电容C也释放能量，负载端电压Vout由电感L提供；
负载端电压Vout=D×Vin输出电压是一个周期内的平均值：Vout=D×VinD = 占空比 = 高电平时间 / 总周期时间，D在【0,1】之间变化，进而控制Vout，实现降压。这就是 PWM 控制 Buck 电路的核心原理升压模式Tr1始终处于导通状态，Tr2通过高频控制信号控制导通和关闭；当Tr2处于高电平，电路导通，电流从 Vs → Tr1→ 电感 L → 地，电感开始储存能量，同时两端电压上升此时，二极管D2被反向偏置，输出端靠电容维持供电
当Tr2处于低电平，Tr2电流路径中断，电感电流不能瞬间为零，会反向释放能量，电感两端产生一个与 Vin 同方向的感应电压（自感反压）这个电压加到 Vin 上推动电流通过二极管D2 → 输出端输出电压 = Vin + 电感感应电压 ⇒ 高于输入 Vin 输出电压是一个周期内的平均值：Vout=Vin/(1-D)，D在【0,1】之间变化，进而控制Vout，实现升压。升压型DC/DC变换器的核心在于电感先充电储能再放电升压，通过开关控制让输出电压高于输入，实现高效的能量“抬升”。
3. 频率调节- 变频器 变频器的工作原理通常包括两部分：整流和逆变。 首先，整流器将交流电转化为直流电;然后，通过IGBT组成的逆变电路将直流电再次转化为特定频率和波形的交流电。功率半导体本身是一种高效的电力电子开关器件，其变频功能主要通过脉宽调制（PWM）技术与逆变电路结合实现。在IGBT通常用作逆变器的应用中，通过控制IGBT的开关频率和占空比，可以进一步调整输出交流电的频率。IGBT的开关动作将直流电分割成高频脉冲，通过滤波电路（如电感和电容）将脉冲波形平滑为所需的交流电频率。例如：在低频时（如50Hz或60Hz），IGBT的开关频率远高于目标频率（通常为几千到几十千赫），通过调整脉冲的占空比来模拟正弦波。在变频应用中，通过动态调整PWM信号的周期和占空比，可以实现输出频率的连续变化。
03—功率半导体在我们生活中有哪些应用？
在了解了功率半导体三大功能（逆变、升降压、变频）的原理之后，在我们的生活中，是实现直流与交流之间高效转换的关键器件，广泛应用于“逆变”和“变频”这两大核心功能中。当我们谈“逆变”，从屋顶光伏电站到不间断电源UPS，再到直流输电系统和工业电源，IGBT通过精确控制导通和关断，输出与电网匹配的交流电波形，确保系统稳定、安全运行。例如，光伏逆变器需要将太阳能板输出的直流电稳定地“逆变”为50Hz的交流电接入电网；UPS在市电断电时通过IGBT将电池的直流电即时转化为稳定交流，保障关键设备运行不间断。而提到“变频”，则是在逆变的基础上进一步实现对输出频率和电压的动态调控。非常典型的就是各类电机驱动应用——工业风机、水泵、压缩机、机器人、电动车驱动系统等都依赖变频技术来实现节能、高效、可控的运行。IGBT在其中通过PWM（脉宽调制）技术控制输出电流的频率和幅值，使得电机能在不同负载下灵活运转，实现软启动、无级调速甚至能量回收。值得一提的是，很多应用中，IGBT同时承担着“逆变+变频”的双重任务。例如电动汽车的电机控制器不仅需要将电池的直流电逆变为交流电，还要根据加速、减速指令实时调节输出频率和电压；又如变频空调则通过调节压缩机的工作频率，实现温度控制的精准化与能效较大化。
可以说，从我们日常使用的家电，到新能源汽车，再到高压输电、工业控制系统，功率半导体几乎无处不在。它让能源变换更高效、电力控制更精准，是现代能源系统中不可或缺的核心器件。
总之，功率半导体是现代能源技术中不可或缺的组成部分。它不仅解锁了高效能源转换的秘密，更为全球能源的可持续发展提供了强大的技术支持。电子展小编觉得，随着技术的不断创新和应用的拓展，功率半导体将继续引领能源领域的发展，为创造一个更加绿色、高效的未来贡献力量。
文章来源：成长知行笔记