技术文章

变频器功率开关器件的种类

一、GTO

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）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、dv/dt耐量高等突出优点，目前已达6kV/6kA的生产水平，大功率应用。但是GTO有不足之处，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β=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，必须限制dv/dt。为此需要缓冲电路（亦称吸收电路），而缓冲电路既增大体积、重量、成本，又徒然增加损耗。另外，“拖尾”电流使关断损耗大，因而开关频率低。

二、IGBT

绝缘栅双极晶体管（IGBT），它是一种复合型全控器件，具有MOSFET（输入阻抗高、开关速度快）和GTR（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用于高压需多个串联。

二、IGCT和SGCT

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，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；加N缓冲层，使硅片厚度以及通态损耗和开关损耗减少；特殊的环状门极，使器件开通时间缩短且串、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（例如1μs内）将器件关断，要求在门极PN不致击穿的－20V下能获得快于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（例如门极电路最大电?lt;5nH）。为此，将这种门极电路配以MOSFET强驱动与GCT功率组件集成在一起，构成集成门极换流晶闸管（IGCT）。其改进形式之一则称为对称门极换流晶闸管（SGCT）。两者具有相似的特性。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。

表1为GTO、IGCT、IGBT一些能数的比较。可以看出，在1kHz以下，IGCT有一定优点；在较高工作频率下，高压IGBT更具优势。

表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，可望在高频下获得应用。