功率器件的發(fā)展歷程

1、功率器件的發(fā)展歷程 IGBT、GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IGCT, 2009-12-08 08:49 引言 電力電子技術(shù)包括功率半導(dǎo)體器件與 IC 技術(shù)、功率變換技術(shù)及控制技術(shù)等 幾個(gè)方面，其中電力電子器件是電力電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)，也是電力電子技術(shù) 發(fā)展的 “龍頭”。從 1958年美國通用電氣 （GE）公司研制出世界上第一個(gè)工業(yè)用普 通晶閘管開始，電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機(jī)組和靜止的離子變流器進(jìn)入 由電力電子器件構(gòu)成的變流器時(shí)代，這標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生。到了 70 年 代，晶閘管開始形成由低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品。同時(shí)，非對(duì)稱晶 閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、光控

2、晶閘管等晶閘管派生器件相繼問世，廣 泛應(yīng)用于各種變流裝置。由于它們具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、響 應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，其研制及應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。 由于普通晶閘管不能自關(guān)斷，屬于半控型器件，因而被稱作第一代電力電 子器件。在實(shí)際需要的推動(dòng)下，隨著理論研究和工藝水平的不斷提高，電力電 子器件在容量和類型等方面得到了很大發(fā)展，先后出現(xiàn)了GTR、GTO、功率 MOSET等自關(guān)斷、全控型器件，被稱為第二代電力電子器件。近年來，電力電 子器件正朝著復(fù)合化、模塊化及功率集成的方向發(fā)展，如IGPT、MCT、 HVIC等 就是這種發(fā)展的產(chǎn)物。 電力整流管 整流管產(chǎn)生于本世紀(jì) 40 年代，是電力電子器件中結(jié)構(gòu)最

3、簡單、使用最廣泛 的一種器件。目前已形成普通整流管、快恢復(fù)整流管和肖特基整流管等三種主 要類型。其中普通整流管的特點(diǎn)是： 漏電流小、通態(tài)壓降較高 （1 01 8V）、反向恢復(fù)時(shí)間較長 （幾十微秒 ）、可獲 得很高的電壓和電流定額。多用于牽引、充電、電鍍等對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求不高的 裝置中。較快的反向恢復(fù)時(shí)間 （幾百納秒至幾微秒 ）是快恢復(fù)整流管的顯著特點(diǎn)， 但是它的通態(tài)壓降卻很高 （1 64 0V）。它主要用于斬波、逆變等電路中充當(dāng)旁路 1 / 13 二極管或阻塞二極管。肖特基整流管兼有快的反向恢復(fù)時(shí)間 (幾乎為零 )和低的通 態(tài)壓降( 0.3 0.6V)的優(yōu)點(diǎn)，不過其漏 1 電流較大、耐壓能力低，

4、常用于高頻低壓儀表和開關(guān)電源。目前的研制水 平為: 普通整流管 (8000V/5000A/400Hz)；快恢復(fù)整流管 (6000V/1200A/1000Hz)；肖 特基整流管 (1000V/100A/200kHz)。 電力整流管對(duì)改善各種電力電子電路的性能、降低電路損耗和提高電源使 用效率等方面都具有非常重要的作用。隨著各種高性能電力電子器件的出現(xiàn)， 開發(fā)具有良好高頻性能的電力整流管顯得非常必要。目前，人們已通過新穎結(jié) 構(gòu)的設(shè)計(jì)和大規(guī)模集成電路制作工藝的運(yùn)用，研制出集 PIN 整流管和肖特基整 流管的優(yōu)點(diǎn)于一體的具有 MPS、 SPEED和 SSD等結(jié)構(gòu)的新型高壓快恢復(fù)整流 管。 它們的通態(tài)壓

5、降為 1V 左右，反向恢復(fù)時(shí)間為 PIN整流管的 1/2，反向恢復(fù) 峰值電流為 PIN 整流管的 1/ 普通晶閘管及其派生器件 晶閘管誕生后，其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和工藝的改革，為新器件的不斷出現(xiàn)提供了 條件。 1964年，雙向晶閘管在 GE公司開發(fā)成功，應(yīng)用于調(diào)光和馬達(dá)控制； 1965年，小功率光觸發(fā)晶閘管出現(xiàn)，為其后出現(xiàn)的光耦合器打下了基礎(chǔ)；60 年 代后期，大功率逆變晶閘管問世，成為當(dāng)時(shí)逆變電路的基本元件；1974 年，逆 導(dǎo)晶閘管和非對(duì)稱晶閘管研制完成。 普通晶閘管廣泛應(yīng)用于交直流調(diào)速、調(diào)光、調(diào)溫等低頻 (400Hz以下 )領(lǐng)域， 運(yùn)用由它所構(gòu)成的電路對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行控制和變換是一種簡便而經(jīng)濟(jì)的辦法。

6、不 2 / 13 過，這種裝置的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生波形畸變和降低功率因數(shù)、影響電網(wǎng)的質(zhì)量。目前 水平為 12kV/1kA和 6500V/4000A。 雙向晶閘管可視為一對(duì)反并聯(lián)的普通晶閘管的集成，常用于交流調(diào)壓和調(diào) 功電路中。正、負(fù)脈沖都可觸發(fā)導(dǎo)通，因而其控制電路比較簡單。其缺點(diǎn)是換 向能力差、觸發(fā)靈敏度低、關(guān)斷時(shí)間較長，其水平已超過2000V/500A。 光控晶閘管是通過光信號(hào)控制晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的器件，它具有很強(qiáng)的抗干 擾能力、良好的高壓絕緣性能和較高的瞬時(shí)過電壓承受能力，因而被應(yīng)用于高 壓直流輸電 （HVDC、） 靜止無功功率補(bǔ)償 （SVC等） 領(lǐng)域。其研制水平大約為 8000V/3600A。2

7、逆變晶閘管因具有較短的關(guān)斷時(shí)間 （1015s）而主要用于中頻感 應(yīng)加熱。在逆變電路中，它已讓位于 GTR、GTO、 IGBT等新器件。目前，其最 大容量介于 2500V/1600A/1kHz和 800V/50A/20kHz的范圍之內(nèi)。 非對(duì)稱晶閘管是一種正、反向電壓耐量不對(duì)稱的晶閘管。而逆導(dǎo)晶閘管不 過是非對(duì)稱晶閘管的一種特例，是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯 上的功率集成器件。與普通晶閘管相比，它具有關(guān)斷時(shí)間短、正向壓降小、額 定結(jié)溫高、高溫特性好等優(yōu)點(diǎn)，主要用于逆變器和整流器中。目前，國內(nèi)有廠 家生產(chǎn) 3000V/900A 的非對(duì)稱晶閘管。 全控型電力電子器件 門極可關(guān)斷晶閘管（

8、GTO） 1964年，美國第一次試制成功了 500V/10A的 GTO。在此后的近 10年內(nèi)， GTO的容量一直停留在較小水平，只在汽車點(diǎn)火裝置和電視機(jī)行掃描電路中進(jìn) 行試用。自 70 年代中期開始， GTO的研制取得突破，相繼出世了 1300V/ 00A、2500V/ 1 000A、4500V/2400A的產(chǎn)品，目前已達(dá) 9kV/25kA/800Hz及 6Hz/6kA/1kHz的 水平。 GTO有對(duì)稱、非對(duì)稱和逆導(dǎo)三種類型。與對(duì)稱 GTO相比，非對(duì)稱 GTO通 3 / 13 態(tài)壓降小、抗浪涌電流能力強(qiáng)、易于提高耐壓能力 （3000以上 ）。逆導(dǎo)型 GTO 是在同一芯片上將 GTO與整流二極管

9、反并聯(lián)制成的集成器件，不能承受反向電 壓，主要用于中等容量的牽引驅(qū)動(dòng)中。 在當(dāng)前各種自關(guān)斷器件中， GTO容量最大、工作頻率最低 （12kHz）。 GTO是 電流控制型器件，因而在關(guān)斷時(shí)需要很大的反向驅(qū)動(dòng)電流； GTO通態(tài)壓降大、 dV/dT 及 di/dt 耐量低，需要龐大的吸收電路。目前， GTO雖然在低于 2000V 的 某些領(lǐng)域內(nèi)已被 GTR和 IGRT等所替代，但它在大功率電力牽引中有明顯優(yōu)勢； 今后，它也必將在高壓領(lǐng)域占有一席之地。 大功率晶體管（ GTR） GTR是一種電流控制的雙極雙結(jié)電力電子器件，產(chǎn)生于本世紀(jì) 70 年代，其 額定值已達(dá) 1800V/800A/2kHz、140

10、0v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具備 晶體管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成 熟、開關(guān)損耗小、開關(guān)時(shí)間短，在電源、電機(jī)控制、通用逆變器等中等容量、 中等 3 頻率的電路中應(yīng)用廣泛。 GTR的缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電流較大、耐浪涌電流能力 差、易受二次擊穿而損壞。在開關(guān)電源和 UPS內(nèi)， GTR正逐步被功率 MOSFET 和 IGBT 所代替。 功率 MOSFET 功率 MOSFET是一種電壓控制型單極晶體管，它是通過柵極電壓來控制漏 極電流的，因而它的一個(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡單、驅(qū)動(dòng)功率??；僅由多數(shù)載 流子導(dǎo)電，無少子存儲(chǔ)效應(yīng)，高頻特性好，工作頻率高

11、達(dá) 100kHz以上，為所有 電力電子器件中頻率之最，因而最適合應(yīng)用于開關(guān)電源、高頻感應(yīng)加熱等高頻 場合；沒有二次擊穿問題，安全工作區(qū)廣，耐破壞性強(qiáng)。功率MOSFET的缺點(diǎn) 是電流容量小、耐壓低、通態(tài)壓降大，不適宜運(yùn)用于大功率裝置。目前制造水 平大概是 1kV/2A/2MHz 和 60V/200A/2MHz。 復(fù)合型電力電子器件 絕緣門極雙極型晶體管（ IGBT） 4 / 13 IGBT是由美國 GE公司和 RCA公司于 1983 年首先研制的，當(dāng)時(shí)容量僅 500V/20A，且存在一些技術(shù)問題。經(jīng)過幾年改進(jìn)， IGBT于 1986 年開始正式生產(chǎn) 并逐漸系列化。至 90年代初， IGBT已開發(fā)

12、完成第二代產(chǎn)品。目前，第三代智能 IGBT已經(jīng)出現(xiàn)，科學(xué)家們正著手研究第四代溝槽柵結(jié)構(gòu)的IGBT。IGBT可視為雙 極型大功率晶體管與功率場效應(yīng)晶體管的復(fù)合。通過施加正向門極電壓形成溝 道、提供晶體管基極電流使 IGBT導(dǎo)通；反之，若提供反向門極電壓則可消除溝 道、使 IGBT因流過反向門極電流而關(guān)斷。 IGBT集 GTR通態(tài)壓降小、載流密度 大、耐壓高和功率 MOSFET驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性 好的優(yōu)點(diǎn)于一身，因此備受人們青睞。它的研制成功為提高電力電子裝置的性 能，特別是為逆變器的小型化、高效化、低噪化提供了有利條件。 比較而言， IGBT的開關(guān)速度低于功率 MOSF

13、ET，卻明顯高于 GTR；IGBT的 通態(tài)壓降同 GTR相近，但比功率 MOSFET低得多； IGBT的電流、電壓等級(jí)與 GTR接近，而比功率 MOSFET高。目前，其研制水平已達(dá) 4500V/1000A。由于 IGBT具有上述特點(diǎn)，在中等功率容量 (600V以上)的 UPS、開關(guān)電源及交流電機(jī) 控制用 PWM逆變器中， IGBT已逐步替代 GTR成為核心元件。另外， IR公司已 設(shè)計(jì)出開關(guān)頻 4 率高達(dá) 150kHz的 WARP系列 400 600VIGBT，其開關(guān)特性與功率 MOSFET 接近，而導(dǎo)通損耗卻比功率 MOSFET低得多。該系列 IGBT有望在高頻 150kHz 整流器中取代功

14、率 MOSFET，并大大降低開關(guān)損耗。 IGBT的發(fā)展方向是提高耐壓能力和開關(guān)頻率、降低損耗以及開發(fā)具有集成 保護(hù)功能的智能產(chǎn)品。 MOS 控制晶閘管 (MCT) MCT 最早由美國 GE公司研制，是由 MOSFET與晶閘管復(fù)合而成的新型器 件。 每個(gè) MCT器件由成千上萬的 MCT元組成，而每個(gè)元又是由一個(gè) PN 晶閘 管、一個(gè)控制 MCT導(dǎo)通的 MOSFET和一個(gè)控制 MCT關(guān)斷的 MOSFET組成。 MCT 工作于超掣住狀態(tài)，是一個(gè)真正的 PN 器件，這正是其通態(tài)電阻遠(yuǎn)低于其它場效 應(yīng)器件的最主要原因。 MCT既具備功率 MOSFET輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、開 5 / 13 關(guān)速度快的特

15、性，又兼有晶閘管高電壓、大電流、低壓降的優(yōu)點(diǎn)。其芯片連續(xù) 電流密度在各種器件中最高，通態(tài)壓降不過是 IGBT或 GTR的 1/3，而開關(guān)速度 則超過 GTR。 此外，由于 MCT 中的 MOSFET元能控制 MCT芯片的全面積通斷，故 MCT 具有很強(qiáng)的導(dǎo)通 di/dt 和阻斷 dV/dt 能力，其值高達(dá) 2000A/ s和 2000V/ s。其工 作結(jié)溫亦高達(dá) 150200。已研制出阻斷電壓達(dá) 4000V的 MCT， 75A/1000VMCT已應(yīng)用于串聯(lián)諧振變換器。隨著性能價(jià)格比的不斷優(yōu)化， MCT 將逐漸走入應(yīng)用領(lǐng)域并有可能取代高壓 GTO，與 IGBT的競爭亦將在中功率領(lǐng)域 展開。 功率

16、集成電路( PIC) PIC是電力電子器件技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵 接口元件。將功率器件及其驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、接口電路等外圍電路集成在 一個(gè)或幾個(gè)芯片上，就制成了 PIC。一般認(rèn)為， PIC的額定功率應(yīng)大于 1W。功率 集成電路還可以分為高壓功率集成電路 (HVIC)、智能功率集成電路 (SPIC和) 智能 功率模塊 (IPM)。 HVIC是多個(gè)高壓器件與低壓模擬器件或邏輯電路在單片上的集成，由于它 的功率器件是橫向的、電流容量較小，而控制電路的電流密度較大，故常用于 小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)、平板顯示驅(qū)動(dòng)及長途電話通信電路等高電壓、小電流場合。已 5 有 110V/13A 和

17、550V/ 0. 5 A、80V/2A/200kHz以及 500V/600mA的 HVIC分別用于上述裝置。 SPIC是由一個(gè)或幾個(gè)縱型結(jié)構(gòu)的功率器件與控制和保護(hù)電路集成而成，電 流容量大而耐壓能力差，適合作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、汽車功率開關(guān)及調(diào)壓器等。 IPM 除了集成功率器件和驅(qū)動(dòng)電路以外，還集成了過壓、過流、過熱等故 障監(jiān)測電路，并可將監(jiān)測信號(hào)傳送至 CPU，以保證 IPM 自身在任何情況下不受 損壞。 6 / 13 當(dāng)前， IPM中的功率器件一般由 IGBT充當(dāng)。由于 IPM 體積小、可靠性高、 使用方便，故深受用戶喜愛。 IPM 主要用于交流電機(jī)控制、家用電器等。已有 400V/55kW/20

18、kHzIPM 面市。 自 1981 年美國試制出第一個(gè) PIC以來， PIC技術(shù)獲得了快速發(fā)展；今后， PIC必將朝著高壓化、智能化的方向更快發(fā)展并進(jìn)入普遍實(shí)用階段。 電力電子器件的應(yīng)用已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活的各個(gè)方面，實(shí)際的需 要必將極大地推動(dòng)器件的不斷創(chuàng)新。微電子學(xué)中的超大規(guī)模集成電路技術(shù)將在 電力電子器件的制作中得到更廣泛的應(yīng)用；具有高載流子遷移率、強(qiáng)的熱電傳 導(dǎo)性以及寬帶隙的新型半導(dǎo)體材料，如砷化鎵、碳化硅、人造金剛石等的運(yùn)用 將有助于開發(fā)新一代高結(jié)溫、高頻率、高動(dòng)態(tài)參數(shù)的器件。從結(jié)構(gòu)看，器件將 復(fù)合型、模塊化；從性能看，發(fā)展方向?qū)⑹翘岣呷萘亢凸ぷ黝l率、降低通態(tài)壓 降、減小驅(qū)動(dòng)功率

19、、改善動(dòng)態(tài)參數(shù)和多功能化；從應(yīng)用看， MPS電力整流管、 MOSFET、IGBT、MCT是最有發(fā)展前景的器件。今后研制工作的重點(diǎn)將是進(jìn)一步 改善 MPS的軟反向恢復(fù)特性，提高 IGBT和 MCT 的開關(guān)頻率和額定容量，研制 智能 MOSFET和 IGBT模塊，發(fā)展功率集成電路以及其它功率器件。 GTO將繼續(xù) 在超高壓、大功率領(lǐng)域發(fā)揮作用；功率 MOSFET在高頻、低壓、小功率領(lǐng)域具 有竟?fàn)巸?yōu)勢；超高壓 （8000V以上 ）、大電流普通晶閘管在高壓直流輸電和靜止無 功功率補(bǔ)償裝置中的作用將會(huì)得到延續(xù)，而低壓普通晶閘管和GTR則將逐步被 功率 MOSFET（600V以下）和 IGBT（600V以上

20、）所代替； MCT最具發(fā)展前途?？梢?預(yù)見，電力電子器件的發(fā)展將會(huì)日新月異，電力電子器件的未來將充滿生機(jī)。 6 新型電力電子器件 IGCT及其應(yīng)用 2010-3-24 16:47:00 IGCT是一種在大功率開關(guān)器件 GTO基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的新型大功率電力電子 器件。和 GTO相比， IGCT的關(guān)斷時(shí)間降低了 30%，功耗降低 40%。IGCT不需要 吸收電路，可以像晶閘管一樣導(dǎo)通，像 IGBT一樣關(guān)斷，并且具有最低的功率損 耗。 IGCT在使用時(shí)只需將它連接到一個(gè) 20V 的電源和一根光纖上就可以控制它 的開通和關(guān)斷。由于 IGCT設(shè)計(jì)理想，使得 IGCT的開通損耗可以忽略不計(jì)，再加 上它的低

21、導(dǎo)通損耗，使得它可以在以往大功率半導(dǎo)體器件所無法滿足的高頻率 下運(yùn)行。 概述 7 / 13 一個(gè)理想的功率器件，應(yīng)當(dāng)具有下列理想的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性 在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，能承受較高的電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，能承受大電流并具有 很低的壓降；在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，開 /關(guān)速度快，能承受很高的 di/dt 和 dv/dt ，同時(shí) 還應(yīng)具有全控功能。 自從 50 年代硅晶閘管問世以后，功率半導(dǎo)體器件的研究工作者為達(dá)到上述 理想目標(biāo)做出了不懈的努力。 60 年代后期，可關(guān)斷晶閘管 GTO實(shí)現(xiàn)了門極可關(guān) 斷功能，并使斬波工作頻率擴(kuò)展到 1kHz以上。 70年代中期，高功率晶體管和功 率 MOSFET問世，功率器件實(shí)現(xiàn)了場控功能

22、，打開了高頻應(yīng)用的大門。 80 年 代，絕緣柵門控雙極型晶體管（ IGBT）問世，它綜合了功率 MOSFET和雙極型 功率晶體管兩者的功能。它的迅速發(fā)展，又激勵(lì)了人們對(duì)綜合功率MOSFET和 晶閘管兩者功能的新型功率器件 -MOSFET門控晶閘管的研究。因此，當(dāng)前功率 器件研究工作的重點(diǎn)主要集中在研究現(xiàn)有功率器件的性能改進(jìn)、MOS 門控晶閘 管以及采用新型半導(dǎo)體材料制造新型的功率器件等。 大功率器件及其發(fā)展 門極關(guān)斷晶閘管（ GTO） 大功率晶閘管（ SCR）在過去相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，幾乎是能夠承受高電壓和大 電流的唯一半導(dǎo)體器件。因此，針對(duì) SCR的缺點(diǎn)，人們很自然地把努力方向引 向了如何使晶閘

23、管具有關(guān)斷能力這一點(diǎn)上，并因此而開發(fā)出了門極關(guān)斷晶閘 管。 用 GTO晶閘管作為逆變器件取得了較為滿意的結(jié)果，但其關(guān)斷控制較易失 敗，故仍較復(fù)雜，工作頻率也不夠高。而幾乎是與此同時(shí)，電力晶體管（GTR） 迅速發(fā)展起來，使 GTO晶閘管相形見綽。因此，在大量的中小容量變頻器中， 7GTO晶閘管已基本不用。但因其工作電流大，故在大容量變頻器中仍居主要地 位。 絕緣柵雙極晶體管（ IGBT） 8 / 13 IGBT是 MOSFET和 GTR相結(jié)合的產(chǎn)物。其主體部分與晶體管相同，也有集 電極（ C）和發(fā)射極（ E），但驅(qū)動(dòng)部分卻和場效應(yīng)晶體管相同，是絕緣柵結(jié) 構(gòu)。 IGBT的工作特點(diǎn)是： 控制部分與場

24、效應(yīng)晶體管相同，控制信號(hào)為電壓信號(hào) UGE，輸人阻抗高， 柵極電流 IG0，驅(qū)動(dòng)功率很小。而其主電路部分則與 GTR相同，工作電流為集 電極電流輸入。此外，其工作頻率可達(dá) 20kHz。由 IGBT作為逆變器件的變頻器 的載波頻率一般都在 10kHz以上，故電動(dòng)機(jī)的電流波形比較平滑，基本無電磁 噪聲。 雖然硅雙極型及場控型功率器件的研究已趨成熟，但是它們的性能仍在不 斷提高和改善，近年來出現(xiàn)的集成門極換流晶閘管（ IGCT）可望迅速地取代 GTO。 集成門極換流晶閘管（ IGCT） 集成門極換流晶閘管 IGCT（ Integrated Gate Commutated Thyristor）是 19

25、96 年問世的一種新型半導(dǎo)體開關(guān)器件。該器件是將門極驅(qū)動(dòng)電路與門極換流晶閘 管 GCT集成于一個(gè)整體形成的。門極換流晶閘管 GCT是基于 GTO 結(jié)構(gòu)的一種新 型電力半導(dǎo)體器件，它不僅有與 GTO相同的高阻斷能力和低通態(tài)壓降，而且有 與 IGBT 相同的開關(guān)性能，即它是 GTO和 IGBT 相互取長補(bǔ)短的結(jié)果，是一種較 理想的兆瓦級(jí)、中壓開關(guān)器件，非常適合用于 6kV和 10kV的中壓開關(guān)電路。 IGCT芯片在不串不并的情況下，二電平逆變器容量 0.5M 3MVA，三電平逆變器 1M6MVA。若反向二極管分離，不與 IGCT 集成在一起，二電平逆變器容量可擴(kuò)至 4.5MVA ，三電平擴(kuò)至 9M

26、VA，現(xiàn)在已有這類器件構(gòu)成的變頻器系列產(chǎn)品。 目前， IGCT已經(jīng)商品化， ABB公司制造的 IGCT產(chǎn)品的最高性能參數(shù)為 4.5kV4kA，最高研制水平為 6kV4kA。1998 年，日本三菱公司開發(fā)了 直徑為 88mm的 6kV4kA的 GCT晶閘管。 IGCT的結(jié)構(gòu)與工作原理 9 / 13 IGCT與 GTO相似，也是四層三端器件， GCT內(nèi)部由成千個(gè) GCT組成，陽極 和門極共用，而陰極并聯(lián)在一起。與 GTO的重要差別是 GCT陽極內(nèi)側(cè)多了緩沖 層，以透明（可穿透）陽極代替 GTO的短路陽極。其導(dǎo)通機(jī)理與 GTO一樣，但 關(guān)斷機(jī)理與 GTO完全不同。在 GCT的關(guān)斷過程中， GCT能瞬

27、間從導(dǎo)通轉(zhuǎn)到阻斷 狀態(tài)，變成一個(gè) PNP晶體管以后再關(guān)斷，所以，它無外加 dudt 限制； 8 而 GTO必須經(jīng)過一個(gè)既非導(dǎo)通又非關(guān)斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即 GTO 區(qū)，所以 GTO需要很大的吸收電路來抑制重加電壓的變化率 dudt。阻 斷狀態(tài)下 GCT的等效電路可認(rèn)為是一個(gè)基極開路、低增益 PNP晶體管與門極電 源的串聯(lián)。 GCT無中間區(qū)、無緩沖關(guān)斷的機(jī)理在于，強(qiáng)關(guān)斷時(shí)可使它的陰極注入瞬時(shí) 停止，不參與以后過程。改變器件在雙極晶體管模式下關(guān)斷，前提是在 P基 N 發(fā)射結(jié)外施加很高負(fù)電壓，使陽極電流很快由陰極轉(zhuǎn)移（或換向）至門極（門 極換向晶閘管即由此得名），不活躍的 NPN管一停止注入

28、， PNP管即因無基極 電流容易關(guān)斷。 GCT成為 PNP管早于它承受全阻斷電壓的時(shí)間，而 GTO卻是赟 CR轉(zhuǎn)態(tài)下承受全阻斷電壓的，所以 GCT可像 IGBT無緩沖運(yùn)行，無二次擊穿， 拖尾電流雖大但時(shí)間很短。 IGCT的關(guān)鍵技術(shù) （ 1）緩沖層在傳統(tǒng) GTO、二極管及 IGBT等器件中，采用緩沖層形成穿通 型（ PT）結(jié)構(gòu)，與非穿通型（ NPT）結(jié)構(gòu)相比，它在相同的阻斷電壓下可使器件 的厚度降低約 30%。同理，在 GCT中采用緩沖層，即用較薄的硅片可達(dá)到相同 的阻斷電壓，因而提高了器件的效率，降低了通態(tài)壓降和開關(guān)損耗，可得到較 好的 VT-Eoff。同時(shí)，采用緩沖層還使單片 GCT與二極管

29、的組合成為可能。 （2）透明陽極為了實(shí)現(xiàn)低的關(guān)斷損耗，需要對(duì)陽極晶體管的增益加以限 制，因而要求陽極的厚度要薄，濃度要低。透明陽極是一個(gè)很薄的 PN 結(jié)，其發(fā) 射效率與電流有關(guān)。因?yàn)殡娮哟┩冈撽枠O時(shí)就像陽極被短路一樣，因此稱為透 明陽極。傳統(tǒng)的 GTO采用陽極短路結(jié)構(gòu)來達(dá)到相同目的。采用透明陽極來代替 陽極短路，可使 GCT的觸發(fā)電流比傳統(tǒng)無緩沖層的 GTO降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。 GCT 的結(jié)構(gòu)與 IGBT相比，因不含 MOS結(jié)構(gòu)而從根本上得以簡化。 10 / 13 （ 3）逆導(dǎo)技術(shù) GCT大多制成逆導(dǎo)型，它可與優(yōu)化續(xù)流二極管 FWD單片集 成在同一芯片上。由于二極管和 GCT享有同一個(gè)阻斷結(jié)， G

30、CT的 P 基區(qū)與二極 管的陽極相連，這樣在 GCT門極和二極管陽極間形成電阻性通道。逆導(dǎo) GCT與 二極管隔離區(qū)中因?yàn)橛?PNP結(jié)構(gòu)，其中總有一個(gè) PN 結(jié)反偏，從而阻斷了 GCT 與二極管陽極間的電流流通。 （ 4）極驅(qū)動(dòng)技術(shù) IGCT觸發(fā)功率小，可以把觸發(fā)及狀態(tài)監(jiān)視電路和 IGCT管 芯做成一個(gè)整體，通過兩根光纖輸入觸發(fā)信號(hào)，輸出工作狀態(tài)信號(hào)。 GCT與門 極驅(qū)動(dòng)器相距很近（間距 15cm），該門極驅(qū)動(dòng)器可以容易地裝人不同的裝置 中，因此可認(rèn)為該結(jié)構(gòu)是一種通用形式。為了使 IGCT的結(jié)構(gòu)更加緊湊和堅(jiān)固， 用門 9 極驅(qū)動(dòng)電路包圍 GCT，并與 GCT和冷卻裝置形成一個(gè)自然整體，稱為環(huán)繞

31、型 IGCT，其中包括 GCT門極驅(qū)動(dòng)電路所需的全部元件。這兩種形式都可使門極 電路的電感進(jìn)一步減小，并降低了門極驅(qū)動(dòng)電路的元件數(shù)、熱耗散、電應(yīng)力和 內(nèi)部熱應(yīng)力，從而明顯降低了門極驅(qū)動(dòng)電路的成本和失效率。所以說，IGCT在 實(shí)現(xiàn)最低成本和功耗的前提下有最佳的性能。另外， IGCT開關(guān)過程一致性好， 可以方便地實(shí)現(xiàn)串、并聯(lián)，進(jìn)一步擴(kuò)大功率范圍。 總之，在采用緩沖層、透明陽極、逆導(dǎo)技術(shù)和門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)后， IGCT從 GTO中脫穎而出，在所有中高壓領(lǐng)域及功率為 0.5M 100MVA 的應(yīng)用中代替了 GTO。 IGCT變頻器 低壓 IGBT和高壓 IGBT在高電壓變頻器中都采用。 IGBT具有快速的開關(guān)性 能，但在高壓變頻中其導(dǎo)電損耗大，而且需要許多 IGBT復(fù)雜地串聯(lián)在一起。 對(duì)低壓 IGBT來講，高壓 IGBT串聯(lián)的數(shù)量相對(duì)要少一些，但導(dǎo)電損耗卻更 高。 元件總體數(shù)量增加使變頻器可靠性降低、柜體尺寸增大