變頻器功率開(kāi)關(guān)器件的種類

一、GTO

門(mén)極可關(guān)斷（GTO）晶閘管是目前能承受電壓最高和流過(guò)電流最大的全控型（亦稱自關(guān)斷）器件。它能由門(mén)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、dv/dt耐量高等突出優(yōu)點(diǎn)，目前已達(dá)6kV/6kA的生產(chǎn)水平，大功率應(yīng)用。但是GTO有不足之處，那就是門(mén)極為電流控制，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)功率大（關(guān)斷增益β=3～5）；關(guān)斷過(guò)程中內(nèi)部成百甚至上千個(gè)GTO元胞不均勻性引起陰極電流收縮（擠流）效應(yīng)，必須限制dv/dt。為此需要緩沖電路（亦稱吸收電路），而緩沖電路既增大體積、重量、成本，又徒然增加損耗。另外，“拖尾”電流使關(guān)斷損耗大，因而開(kāi)關(guān)頻率低。

二、IGBT

絕緣柵雙極晶體管（IGBT），它是一種復(fù)合型全控器件，具有MOSFET（輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快）和GTR（耐壓高、電流密度大）二者的優(yōu)點(diǎn)。柵極為電壓控制，驅(qū)動(dòng)功率小；開(kāi)關(guān)損耗小，工作頻率高；沒(méi)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(kāi)發(fā)出高壓IGBT，可達(dá)3.3kV/1.2kA或4.5kV/0.9kA的水平。IGBT的不足之處是，高壓IGBT內(nèi)阻大，因而導(dǎo)通損耗大；低壓IGBT用于高壓需多個(gè)串聯(lián)。

二、IGCT和SGCT

在GTO的基礎(chǔ)上，近年開(kāi)發(fā)出一種門(mén)極換流晶閘管（GCT），它采用了一些新技術(shù)，如：穿透型陽(yáng)極，使電荷存儲(chǔ)時(shí)間和拖尾電流減小，制約了二次擊穿，可無(wú)緩沖器運(yùn)行；加N緩沖層，使硅片厚度以及通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗減少；特殊的環(huán)狀門(mén)極，使器件開(kāi)通時(shí)間縮短且串、并聯(lián)容易。因此，GCT除有GTO高電壓、大電流、低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)，又改善了其開(kāi)通和關(guān)斷性能，使工作頻率有所提高。

為了盡快（例如1μs內(nèi)）將器件關(guān)斷，要求在門(mén)極PN不致?lián)舸┑模?0V下能獲得快于4000A/μs的變化率，以使陽(yáng)極電流全部經(jīng)門(mén)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（例如門(mén)極電路最大電?lt;5nH）。為此，將這種門(mén)極電路配以MOSFET強(qiáng)驅(qū)動(dòng)與GCT功率組件集成在一起，構(gòu)成集成門(mén)極換流晶閘管（IGCT）。其改進(jìn)形式之一則稱為對(duì)稱門(mén)極換流晶閘管（SGCT）。兩者具有相似的特性。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。

表1為GTO、IGCT、IGBT一些能數(shù)的比較。可以看出，在1kHz以下，IGCT有一定優(yōu)點(diǎn)；在較高工作頻率下，高壓IGBT更具優(yōu)勢(shì)。

表1 GTO、IGCT、IGBT參數(shù)比較

除上述三種器件外，現(xiàn)在還在開(kāi)發(fā)一些新器件，例如新型大功率IGBT模塊——“注入增強(qiáng)柵極晶體管”（IEGT），它兼有IGBT和GTO二者優(yōu)點(diǎn)，即開(kāi)關(guān)特性相當(dāng)于IGBT，工作頻率高，柵極驅(qū)動(dòng)功率小（比GTO小二個(gè)數(shù)量級(jí)）；而由于電子發(fā)射區(qū)注入增強(qiáng)，使器件的飽和壓降進(jìn)一步減小；功率相同時(shí)，緩沖電路的容量為GTO的1/10，安全工作區(qū)寬。現(xiàn)已有4.5kV/1kA的器件，可望在高頻下獲得應(yīng)用。