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
器件 | GTO | IGCT | IGBT |
通态压降/V | 3.2 | 1.9 | 3.4 |
门极驱动功率/W | 80 | 15 | 1.5 |
存储时间/us | 20 | 1∽3.4 | 0.9 |
尾部电流时间/us | 150 | 0.7 | 0.15 |
工作频率/kHz | 0.5 | 1 | 20 |
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。
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