變頻器功率開關(guān)器件的種類

一、GTO

門極可關(guān)斷（GTO）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）器件。它能由門極控制導通和關(guān)斷，具有電流密度大、管壓降低、導通損耗小、dv/dt耐量高等突出優(yōu)點，目前已達6kV/6kA的生產(chǎn)水平，大功率應(yīng)用。但是GTO有不足之處，那就是門極為電流控制，驅(qū)動電路復雜，驅(qū)動功率大（關(guān)斷增益β=3～5）；關(guān)斷過程中內(nèi)部成百甚至上千個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，因而開關(guān)頻率低。

二、IGBT

絕緣柵雙極晶體管（IGBT），它是一種復合型全控器件，具有MOSFET（輸入阻抗高、開關(guān)速度快）和GTR（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。IGBT的不足之處是，高壓IGBT內(nèi)阻大，因而導通損耗大；低壓IGBT用于高壓需多個串聯(lián)。

二、IGCT和SGCT

在GTO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，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；加N緩沖層，使硅片厚度以及通態(tài)損耗和開關(guān)損耗減少；特殊的環(huán)狀門極，使器件開通時間縮短且串、并聯(lián)容易。因此，GCT除有GTO高電壓、大電流、低導通壓降的優(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（例如1μs內(nèi)）將器件關(guān)斷，要求在門極PN不致?lián)舸┑模?0V下能獲得快于4000A/μs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（例如門極電路最大電?lt;5nH）。為此，將這種門極電路配以MOSFET強驅(qū)動與GCT功率組件集成在一起，構(gòu)成集成門極換流晶閘管（IGCT）。其改進形式之一則稱為對稱門極換流晶閘管（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；在較高工作頻率下，高壓IGBT更具優(yōu)勢。

表1 GTO、IGCT、IGBT參數(shù)比較

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——“注入增強柵極晶體管”（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GTO小二個數(shù)量級）；而由于電子發(fā)射區(qū)注入增強，使器件的飽和壓降進一步減小；功率相同時，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。