变频电源的功率器件

    20世纪60年代电力电子器件从SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）、BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效应管）、SIT（静电感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管）、MGT（MOS控制晶体管）、MCT（MOS控制晶闸管）发展到今天的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管），器件的发展促使电力变换技术的不断发展。

    门极可关断( GTO)晶闸管是目前能承受电压最高和流过电流最大的全控型（亦称自关断）开关器件。它能由门极控制导通和关断，具有电流密度大、管压降低、导通损耗小、du/dt耐量高等突出优点，目前GTO额定电压和额定电流已达6kV/6kA的生产水平，最适合大功率应用。但是GTO也有其不足之处，那就是门极为电流控制，驱动电路复杂、驱动功率大(关断增益p=3~5)；关断过程中内部成百甚至上千个GTO元胞不均匀性引起阴极电流收缩（挤流）效应，在应用中必须采取相应的措施限制du/dt。为此需要缓冲电路（亦称吸收电路），采用缓冲电路既增大变频电源的体积、质量、成本，又增加损耗。另外，GTO“拖尾”电流使关断损耗大，因而开关频率低。

    在GTO的基础上，近年开发出一种门极换流晶闸管(GCT)，它采用了一些新技术，如：穿透型阳极，它使电荷存储时间和拖尾电流减小，制约了二次击穿，可无缓冲器运行；GCT的N缓冲层，使硅片厚度以及通态损耗和开关损耗减少；GCT的特殊的环状门极，使GCT开通时间缩短且串、并联容易。因此，GCT除有GTO高电压、大电流、低导通压降的优点，又改善了其开通和关断性能，使工作频率有所提高。

    为了尽快将开关器件关断（例如1μs内），要求在门极PN不致击穿的电压下(- 20V)能获得快于4000A/μs的变化率，以使阳极电流全部经门极极快泄流（即关断增益为1），必须采用低电感触发电路。为此，将这种门极电路配以MOSFET器件与GCT功率组件集成在一起，构成集成门极换流晶闸管(IGCT)。IGCT还可将续流二极管做在同一芯片上集成逆导型，可使装置中器件数量减少。

    绝缘栅双极晶体管(IGBT)是一种复合型全控器件，具有MOSFET（输入阻抗高、开关速度快）和GIR（耐压高、电流密度大）二者的优点。栅极为电压控制，驱动功率小；开关损耗小，工作频率高；没有二次击穿，不需缓冲电路，是目前中等功率电力电子装置中的主流器件。除低压IGBT (1700V/1200A)外，已开发出高压IGBT，可达3.3kV/1.2kA或4.5kV/0.9kA的水平。IGBT的不足之处是：高压IGBT内阻大，因而导通损耗大；低压IGBT应用于高压电路需多个串联。

    表1-1为GTO、IGCT、IGBT的一些技术参数的比较。由表1-1可以得出，在1kHz以下，IGCT有一定优点；在较高工作频率下，高压IGBT则更具优势。

    表1-1    GTO、IGCT、IGBT参数比较

    除上述三种器件外，现在还在开发一些新器件，例如新型大功率IGBT模块——注入增强栅极晶体管(IEGT)，它兼有IGBT和GTO二者优点，即开关特性相当于IGBT，工作频率高，栅极驱动功率小（比GTO小二个数量级）；而由于电子发射区注入增强，使器件的饱和压降进一步减小；功率相同时，缓冲电路的容量为GTO的1/10，安全工作区宽。现已有4.5kV/1kA的器件，可应用在高频电路。

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