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變頻電源的功率器件總概

20世紀60年代電力電子器件從SCR(晶閘管)、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、BJT(雙極型功率品體管)、MOSFET(金屬氧化物場效應(yīng)管)、SIT(靜電感應(yīng)晶體管)、SIH(電感應(yīng)晶閘管)MCT(MOS控制品體管)、MCT(MOS控制晶閘管)發(fā)展到今天的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)，器件的發(fā)展促使電力變換技術(shù)的不斷發(fā)展。

門極可關(guān)斷(CTO)晶閘管是目前能承受電壓最高和流過電流最大的全控型(亦稱自關(guān)斷)開關(guān)器件。它能由門極控制導(dǎo)通和關(guān)斷，具有電流密度大、管壓降低、導(dǎo)通損耗小、du/dt 耐量高等突出優(yōu)點，目前GT0額定電壓和額定電流已6kV/6kA的生產(chǎn)水平，最適合大功率應(yīng)用。但是GTO也有其不足之處，那就是門極為電流控制，驅(qū)動電路復(fù)雜、驅(qū)動功率大(關(guān)斷增益=3~5);關(guān)斷過程中內(nèi)部成百甚至上千個CTO元胞不均勻性引起陰極電流收縮(擠流)效應(yīng)，在應(yīng)用中必須采取相應(yīng)的措施限制du/d。為此需要緩沖電路(亦稱吸收電路)，采用緩沖電路既增大變頻電源的體積、質(zhì)量、成本，又增加損耗。另外，GTO“拖尾”電流使關(guān)斷損耗大，因而開關(guān)頻率低。在CTO的基礎(chǔ)上，近年開發(fā)出一種門極換流晶閘管(GCT)，它采用了一些新技術(shù)，如:穿透型陽極，它使電荷存儲時間和拖尾電流減小，制約了二次擊穿，可無緩沖器運行;GCT的N緩沖層，使硅片厚度以及通態(tài)損耗和開關(guān)損耗減少;GCT的特殊的環(huán)狀門極，使GCT開通時間縮短且串、并聯(lián)容易。因此，CCT除有 CTO高電壓、大電流、低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點，又改善了其開通和關(guān)斷性能，使工作頻率有所提高。

為了盡快將開關(guān)器件關(guān)斷(例如1ps內(nèi))，要求在門極PN不致?lián)舸┑碾妷合?-20V)能獲得快于4000N/!s的變化率，以使陽極電流全部經(jīng)門極極快泄流(即關(guān)斷增益為1)，必須采用低電感觸發(fā)電路。為此，將這種門極電路配以MOSFET器件與GCT功率組件集成在一起，構(gòu)成集成門極換流品閘管(IGCT)。IGCT還可將續(xù)流二極管做在同一芯片上集成逆導(dǎo)型，可使裝置中器件數(shù)量減少。

絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是一種復(fù)合型全控器件，具有MOSFET(輸人阻抗高、開關(guān)速度快)和GIR(耐壓高、電流密度大)二者的優(yōu)點。柵極為電壓控制，驅(qū)動功率小;開關(guān)損耗小工作頻率高；沒有二次擊穿，不需緩沖電路，是目前中等功率電力電子裝置中的主流器件。除低壓IGBT(1700V/1200A)外，已開發(fā)出高壓IGBT，可達3.3kV/1.2kA或4.5kV/0.9kA的水平。ICBT的不足之處是:高壓IGBT內(nèi)阻大，因而導(dǎo)通損耗大;低壓 ICBT應(yīng)用于高壓電路需多個串聯(lián)。表1-1為CT0、ICCT、ICBT的一些技術(shù)參數(shù)的比較。由表1-1可以得出，在1kHz以下，IGCT有一定優(yōu)點;在較高工作頻率下，高壓IGBT則更具優(yōu)勢。

除上述三種器件外，現(xiàn)在還在開發(fā)一些新器件，例如新型大功率IGBT模塊--注人增強柵極晶體管(IEGT)，它兼有IGBT和GTO二者優(yōu)點，即開關(guān)特性相當于IGBT，工作頻率高，柵極驅(qū)動功率小(比GT小二個數(shù)量級);而由于電子發(fā)射區(qū)注人增強，使器件的飽和壓降進一步減??；功率相同時，緩沖電路的容量為GT0的1/10，安全工作區(qū)寬?，F(xiàn)已有4.5kV/IkA的器件，可應(yīng)用在高頻電路。