写在前面
上一节内容写到了高频开关电源的拓扑，这一节主要写开关电源中的功率半导体元件（可控硅、三极管、IGBT、MOSFET等）。
各种功率半导体开关的局限
常规的各种电源变换拓扑都依赖功率半导体元件做功率开关，来实现电能变换。下面分别写写现在主流的、以及可能成为主流的功率半导体元件的特点和局限。
首先要说的是晶闸管。相对来说，在各种分立功率半导体元件中，晶闸管的成本、容量大。并联谐振的中频感应加热电炉是其典型的大功率应用之一，整流、逆变部分都可能会使用晶闸管，能做到兆瓦级的功率。而晶闸管的主要缺点，一是开关速度太慢，开关状态切换的过渡时间甚至会达到us级，限制了应用的开关频率难以超过10kHz；二是普通可控硅无法主动关断，限制了其应用的拓扑。
开关速度好一点的是双极型三极管。三极管的开关速度显著改善，并且可以主动关断，在电源中用作功率开关比可控硅要方便。但是因为其电流增益受限，三极管如果想做大的电流容量的是很难的——有兴趣的读者可以搜一下，集电极电流较大的三极管要么是达林顿结构，要么电流增益只有20。当前以三极管做为开关元件的电源，一般功率较小，比如低端荧光灯的电子镇流器。在电源中，三极管开关频率可以达到20kHz。
开关性能更进一步的是IGBT。与三极管同样是双极型器件，但IGBT是电压型驱动，不再有三极管增益不足的问题，其电流容量显著增大。众所周知，IGBT的关断过程有明显的电流拖尾——IGBT开关速度还是不太够，开关频率限制在100kHz以内。
MOSFET作为单极型器件，开关速度显著改善。基于Si材料MOSFET的开关电源，工作频率已经可以到MHz级别，但是Si MOSFET容量有限，难以做到较高的阻断电压。另外Si MOSFET的寄生体二极管的反向恢复特性差，因而在部分拓扑中不可用。Si MOSFET的潜力在经过超级结技术的压榨后，似乎已经开始接近极限。
SiC MOSFET最近几年发展的很好。SiC是一种宽禁带半导体，基于SiC的MOSFET开关速度进一步改善，同时提高了MOSFET的容量，阻断电压可以轻松达到1200V。SiC MOSFET的体二极管的反向恢复特性也有显著的改善，极大扩展了其应用场景。然而，SiC MOSFET并没有显著的推高电源的工作频率，当前主要的贡献还是改善了电源的性能。SiC MOSFET当前主要的问题，一是制造工艺还在进步中，最有前途的工艺路线还在竞争筛选中，SiC原材料的晶体缺陷、成品MOSFET的栅极氧化层的性能退化问题都在一定程度上影响着SiC MOSFET的长期可靠性 ；二是目前各个半导体原厂的SiC MOSFET产品系列仍在扩充过程中，可选的型号远不如Si MOSFET那么丰富；三是各个厂家的SiC MOSFET在驱动参数上差异较大，暂时还没有某一家的产品成为主流；四是SiC原材料成本较高，SiC MOSFET价格较贵；五是当前全球SiC产能有限。这些因素都限制了SiC MOSFET的应用。目前SIC MOSFET在电源产品中的应用只算是刚刚起步。
GaN是近几年也很火的另一种宽禁带半导体材料。GaN晶体管在650V电压等级比SiC更有优势，开关速度更快、结电容更小。但是相比SiC，GaN材料的功率半导体元件生产工艺似乎更加不成熟，一定程度上限值了其推广——增强型GaN HEMT目前对驱动要求很高，耗尽型一般需要与Si MOSFET组成复合管使用，关于GaN晶体管的长期稳定性模型和寿命模型也没有完全建立。GaN材料也比较贵，Si衬底的GaN晶体管改善了元件成本。目前，在电源领域，似乎GaN晶体管只是在少量的消费类电子上比较火，估计距离规模的工业级应用还有一定的距离。
关于我个人对SiC和GaN现状的一些了解，会写在另一篇文章中，算是当前这个系列文章的一个番外吧。
通过简单列举现在电源领域常用的功率半导体开关类元件，大概可以了解：晶闸管、Si三极管、IGBT无法支持继续推高开关频率；Si MOSFET的潜力即将被挖掘殆尽，即使现在已有LDMOS用于高频开关电源，功率容量所限未来也难以成为主流；未来潜力较大的还是SiC和GaN材料的新型晶体管。尤其是GaN，在中低压上的优势非常明显。目前只能期待其工艺的进一步发展与成熟。
功率半导体开关封装与散热
除半导体元件自身的特性影响其可达到的开关频率外，功率半导体元件的封装在不同频率的可用性差异也很大。
当前在大功率电源用应用较多的还是直插封装，比如目前TO-220、TO-247的出货量都是很大的。但是这类封装的引线寄生电感较大，直接限值了这些元件应用于更高的工作频率。甚至一些贴片封装，比如DPAK、D2PAK等，在高频时应用的性能也不是很理想。高频开关电源中的功率半导体封装，需要更小的引线电感、单独的驱动回路。
比较有潜力的可能包括下面这些封装：
而目前来说，除最后一种（Infineon称为TSON，ONsemi称为PQFN）出货量已经很大，前面三种（分别是TO-247-4L、TOLL、VSON/PQFN）都才刚刚开始推广。
这些封装都有更小的引线电感和源极的开尔文连接，一定程度上改善了开关速度和开关损耗。
比如下图是某半导体厂家对比的4引脚TO-247封装相比3引脚封装的测试数据，特定条件下两种封装在开关损耗上的差异还是很明显的：
通过上图应该可以感受到功率半导体元件的封装对其开关损耗的影响。在实际的应用中，这些新封装带来的挑战主要是散热结构的设计。尤其对贴片类封装来说，元件顶面可以加散热器，但是顶面热阻较大；底面的热阻较小，但要贴PCB，最高壳温已经被PCB材质的耐温能力限制了。对第一点，已有改进的双面散热封装，只是目前似乎出货量还不大。
另一方面，目前的封装材料和封装工艺在一定程度上限值了宽禁带材料器件的最高结温。因为像SiC本身的耐温能力远强于Si，但是成品SiC元件的最高结温似乎并没有与Si元件拉开差距：功率半导体的塑封材料属有机高分子，温度影响其寿命；功率半导体DIE表面的金属镀层和邦定线的耐温能力也是一个限制。
（下节预告：高频开关电源中的无源元件）