电力电子开关器件特性

目前，各类电力电子器件所达到的功能水平如下：  普通晶闸管：12kV、1kA；4kV、3kA。 可关断晶闸管：9kV、1kA；4.5kV、4.5kA。 逆导晶闸管：4.5kV、1kA。 光触晶闸管：6kV、2.5kA；4kV、5kA。 电力晶体管：单管1kV、200A；模块1.2kV、800A；1.8kV、100A。 场效应管：1kV、38A。 绝缘栅极双极型晶体管：1.2kV、400A；1.8kV、100A。 静电感应晶闸管(SITH)：4.5kV、2.5kA。 场控晶闸管：1kV、100A。 图1中示出主要电力电子器件的控制容量和开关频率的应用范围。 图1 电力电子器件的控制容量和开关频率的应用范围 1.绝缘栅极双极型晶体管（IGBT） IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）是在GTR和MOSFET之间取其长、避其短而出现的新器件，它实际上是用MOSFET驱动双极型晶体管的，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。 IGBT是多元集成结构，每个IGBT元的结构如图2(a)所示，图2(b)是IGBT的等效电路，它由一个MOSFET和一个PNP晶体管构成，给栅极施加正偏信号后，MOSFET导通，从而给PNP晶体管提供了基极电流使其导通。给栅极施加反偏信号后，MOSFET关断，使PNP晶体管基极电流为零而截止。图2(c)是IGBT的电气符号。 IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3～4V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。 图2 IGBT的简化等效电路图 (a)结构；(b)等效电路；(c)电气符号 2. 场控晶闸管（MCT） MCT（MOSControlledThyristor）是MOSFET驱动晶闸管的复合器件，集场效应晶体管与晶闸管的优点于一身，是双极型电力晶体管和MOSFET的复合。 一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成如下：PNPN晶闸管一个（可等效为PNP和NPN晶体管各一个），控制MCT导通的MOSFET（on-FET）和控制MCT关断的MOSFET（off-FET）各一个。当给栅极加正脉冲电压时，N沟道的on-FET导通，其漏极电流即为PNP晶体管提供了基极电流使其导通，PNP晶体管的集电极电流又为NPN晶体管提供了基极电流而使其导通，而NPN晶体管的集电极电流又反过来成为PNP晶体管的基极电流，这种正反馈使α1+α2>1，MCT导通。 当给栅极加负电压脉冲时，P沟道的off-FET导通，使PNP晶体管的集电极电流大部分经off-FET流向阴极而不注入NPN晶体管的基极，因此，NPN晶体管的集电极电流(即PNP晶体管的基极电流)减小，这又使得NPN晶体管的基极电流减小，这种正反馈使α1+α2<1,MCT关断。 MCT阻断电压高，通态压降小，驱动功率低，开关速度快。虽然MCT目前的容量水平仅为1000V/100A，其通态压降只有IGBT或GTR的1/3左右，但其硅片的单位面积连续电流密度在各种器件中是最高的。另外，MCT可承受极高的di/dt和du/dt，这使得保护电路可以简化。MCT的开关速度超过GTR，开关损耗也小。总之，MCT被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。 3.静电感应晶体管（SIT） SIT（StaticInductionTransistor）实际上是一种结型电力场效应晶体管，其电压、电流容量都比MOSFET大，适用于高频,大功率的场合。当栅极不加任何信号时，SIT是导通的;栅极加负偏压时关断。这种类型的SIT称为正常导通型，使用不太方便。另外，SIT通态压降大，因此通态损耗也大。 4.静电感应晶闸管（SITH） SITH（StaticInductionThyristor）是在SIT的漏极层上附加一层和漏极层导电类型不同的发射极层而得到的。