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、IGCT2009-12-0808:49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(guó)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、光控晶閘管等晶閘管派生器件相繼問世，廣泛應(yīng)用

2、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(lái)，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)最簡(jiǎn)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

3、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（1018V）、反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)（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（1640V）。它主要用于斬波、逆變等電路中充當(dāng)旁路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."30."6V)的優(yōu)點(diǎn)，不過其漏1電流較大、耐壓能力低，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)

4、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

5、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(jiǎn)便而經(jīng)濟(jì)的辦法。不過，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

6、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(jiǎn)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(zhǎng)，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(wú)功功率補(bǔ)償(SVC)等領(lǐng)域。其研制水平大約為8000V/3600A。2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

7、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(guó)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(GTO)1964年，美國(guó)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/600A、2500V/1000A、4

8、500V/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通態(tài)壓降小、抗浪涌電流能力強(qiáng)、易于提高耐壓能力（3000V以上）。逆導(dǎo)型GTO是在同一芯片上將GTO與整流二極管反并聯(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I

9、GRT等所替代，但它在大功率電力牽引中有明顯優(yōu)勢(shì)；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、1400v/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MOSF

10、ET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(lái)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(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率??；僅由多數(shù)載流子導(dǎo)電，無(wú)少子存儲(chǔ)效應(yīng)，高頻特性好，工作頻率高達(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(chǎng)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）IGBT是由美國(guó)GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，當(dāng)時(shí)容量

11、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)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IGBToIGBT可視為雙極型大功率晶體管與功率場(chǎng)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，

12、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MOSFET，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400600VIGBT，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IG

13、BT有望在高頻150kHz整流器中取代功率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(guó)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(wàn)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(chǎng)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、開關(guān)速度快的特性，又兼有晶閘管高電壓、大電流、

14、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)150200U。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(jìng)爭(zhēng)亦將在中功率領(lǐng)域展開。功率集成電路(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

15、。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(zhǎng)途電話通信電路等高電壓、小電流場(chǎng)合。已5有110V/13A和550V/0."5A、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

16、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(cè)電路，并可將監(jiān)測(cè)信號(hào)傳送至CPU，以保證IPM自身在任何情況下不受損壞。當(dāng)前，1PM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/20kHzIPM面市。自1981年美國(guó)試制出第一個(gè)PIC以來(lái)，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

17、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、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

18、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(shì)；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(wú)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（6OOV以下）和IGBT（600V以上）所代替；MCT最具發(fā)展前途?？梢灶A(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(lái)將充滿生機(jī)。6新型電力電子器件IGCT及其應(yīng)用2010-3-2416:47:00IGCT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GT

19、O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)，再加上它的低導(dǎo)通損耗，使得它可以在以往大功率半導(dǎo)體器件所無(wú)法滿足的高頻率下運(yùn)行。概述一個(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

20、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(chǎng)控功能，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

21、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(lái)，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）IGBT是MOSFET和GT

22、R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(chǎng)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(chǎng)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IG-0，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(wú)電磁噪聲。雖然硅雙極型及場(chǎng)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(lái)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（IG

23、CT）集成門極換流晶閘管IGCT（IntegratedGateCommutatedThyristor）是1996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(zhǎng)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."5M3MVA，三電平逆變器1M6MVA。若反向二極管分離，不與I

24、GCT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9MVA，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."5kV/4kA，最高研制水平為6kV/4kAo1998年，日本三菱公司開發(fā)了直徑為88mm的6kV/4kA的GCT晶閘管。IGCT的結(jié)構(gòu)與工作原理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(yáng)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(yáng)極內(nèi)側(cè)多了緩沖層，以透明（可穿透）陽(yáng)極代替GTO的短路陽(yáng)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。

25、在GCT的關(guān)斷過程中，GCT能瞬間從導(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(wú)外加du/dt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(lái)抑制重加電壓的變化率du/dt。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(wú)中間區(qū)、無(wú)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(yáng)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N

26、PN管一停止注入，PNP管即因無(wú)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(wú)緩沖運(yùn)行，無(wú)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與二極管的組合成為可能。（2）透明陽(yáng)極為

27、了實(shí)現(xiàn)低的關(guān)斷損耗，需要對(duì)陽(yáng)極晶體管的增益加以限制，因而要求陽(yáng)極的厚度要薄，濃度要低。透明陽(yáng)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?yáng)極時(shí)就像陽(yáng)極被短路一樣，因此稱為透明陽(yáng)極。傳統(tǒng)的GTO采用陽(yáng)極短路結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到相同目的。采用透明陽(yáng)極來(lái)代替陽(yáng)極短路，可使GCT的觸發(fā)電流比傳統(tǒng)無(wú)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(jiǎn)化。（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)，GCT的P基區(qū)與二極管的陽(yáng)極相連，這樣在GCT門極和二極管陽(yáng)極間形成電阻性通道。逆導(dǎo)GCT與

28、二極管隔離區(qū)中因?yàn)橛蠵NP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(yáng)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)

29、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?？傊?，在采用緩沖層、透明陽(yáng)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."5M100MVA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(lái)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