【图】电力电子开关器件的功能特性


有关电力电子开关器件的功能特性,各类电力电子器件所达到的功能水平,电力电子器件的控制容量和开关频率的应用范围,包括绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)、场控晶闸管(MCT)、静电感应晶体管(SIT)等。

电力电子开关器件的功能特性

各类电力电子器件的功能水平:

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,电力电子器件的控制容量和开关频率的应用范围。

【图】电力电子开关器件的功能特性

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】电力电子开关器件的功能特性

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。