电力电子第二章第六讲

图2-35 4500/4000A的IGCT
2.9.1 集成门极换流晶闸管IGCT
➢ IGBT是在大功率晶体管基础上的发展，过流时通过撤除门 极电压可关断器件。而IGCT是在晶闸管基础上的发展，其 关断机理是通过在门极上施加负的关断电流脉冲，把阳极 电流从阴极向门极分流，使原来的PNPN四层结构变成PNP 三层结构，从而关断器件。由于负的关断电流脉冲限制， 故IGCT有一个能关断的最大阳极电流值，超过此值器件便 关不断，出现“直通”现象，器件的额定电流就定义为这 个最大可关断电流。
闸管、1个控制MCT导通的MOSFET和1个控制MCT关断的MOSFET组 成。 ➢ MCT的通态电阻远低于其它场效应器。 ➢ MCT既具备功率MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特 性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。 ➢ 其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是GTR的1/3， 而开关速度则超过GTR。 ➢ 此外，由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面积通断，故 MCT具有很强的导通di/dt和阻断du/dt 能力，其值高达2000A/μs和 2000V/μs。其工作结温亦高达150-200℃，被认为是目前众多的新型功 率器件中很有发展前途的器件。
2.9.1 集成门极换流晶闸管IGCT
➢ 集成门极换流晶闸管（IGCT， Integrated Gate-Commutated Thyristor）结合了IGBT与GTO 的优点，容量与GTO相当。
➢ 20世纪90年代后期出现
➢ 目前的制造水平是 6500V/4200A和4500V/5500A， 适用于功率1MW～10MW，开 关频率50Hz～2kHz范围的应用 ，已在高压变频调速系统和风 力发电系统中得到应用。
➢ 目前，国产IGCT产品刚刚跨入应用之门，还在等待实际应 用的结果。应用好IGCT，本身就是一项复杂艰巨的系统工 程。当前主要的问题是没有实际经验，缺乏成熟的组件或 装置拓扑。这些需要从事系统和线路设计的工程师们投入 足够的精力。
2.9.2 MOS控制晶闸管(MCT)
➢ 由MOSFET与晶闸管复合而成的新型双极复合型器件。 ➢ 每个MCT器件由成千上万的MCT元组成，而每个MCT元又是由1个晶
➢ 砷化镓整流元件已由Motorola公司生产，并应用于制作 各种输出电压（12V、24V、36V、48V）的直流电源，用 于通信设备和计算机中。
2.10 电力电子器件的发展趋势
➢ 碳化硅材料 ➢ 碳化硅作为硅和砷化镓的重要补充，不但击穿电场强度高、
热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等 特点，可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用 于硅器件难以胜任的场合，或在一般应用中实现硅器件难 以达到的效果。在额定阻断电压相同的前提下，碳化硅功 率开关器件不但通态电阻很低，其工作频率一般也要比硅 器件高10倍以上。
➢ 静电感应晶闸管（SITH，Static Induction Thyristor）：诞生于 1972年，因其工作原理与SIT类似，门极和阳极电压均能通过电 场控制阳极电流，因此SITH又被称为场控晶闸管（FCT ，Field Controlled Thyristor）。SITH是两种载流子导电的双极型器件， 通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度 比GTO高得多，是大容量的快速器件；SITH一般也是正常导通 型（栅极不加信号时导通），而且其制造工艺比GTO复杂得多， 电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。
2.10 电力电子器件的发展趋势
4）高效率电力电子器件的导通压降在不断的改善， 降低了导通损耗。同时开通和关断过程的加快， 也降低了开关损耗。
以上所述各种电力电子器件一般是由硅半导体 材料制成的。除此之外，近年来还出现了一些性 能优良的新型化合物半导体材料，如砷化镓（ GaAs）和碳化硅（SiC）。由它们作为基础材料 制成的电力电子器件正不断涌现。
电力电子技术
Power Electronics
2.9其它新型电力电子器件
➢ 静电感应晶体管（SIT，Static Induction Transistor）：诞生于 1970年。是一种多子导电的器件，工作频率与功率MOSFET相 当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。但 SIT是在栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，使用不太方便； 且通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未得到广泛应用。
2.10 电力电子器件的发展趋势
➢ 砷化镓材料
➢ 砷化镓是一种很有发展前景的半导体材料。与硅相比， 砷化镓有两个优点：砷化镓整流元件可在350℃的高温下 工作（硅整流元件只能达200℃），具有很好的耐高温特 性，有利于模块小型化；砷化镓材料的电子迁移率是硅材 料的5倍，因而同容量的器件几何尺寸更小，从而可减小 寄生电容，提高开关频率（1MHz以上）。其缺点是正向 压降比较大。
2.9.3 功率模块和功率集成电路
➢ 将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信 息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（PIC ，Power Integrated Circuit）。
➢ 根据性能侧重、要求：高压集成电路（HVIC）、智能功 率集成电路（SPIC）、智能功率模块（IPM）
➢ 2）大容量 GTO是容量上与晶闸管最接近的具有自关断能力的 器件，但存在缺点和问题。由于IGBT、IGCT等器件的大容量化 及实用化，在更多的领域，IGBT和IGCT将取代GTO。
➢ 3）高频化 GTO的工作频率为1～2kHz，GTR可在10kHz以下 工作，IGBT工作频率已达150kHz。工作频率的高频化，可大大 减小电路中电压器和滤波电感、电容的体积，使装置小型化、 轻量化。
➢ 其优点系统成本低，重量轻，体积小，寄生电感低，提高 电力电子变化和控制的可靠性。
➢ 功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问 题以及温升和散热的处理。
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2.10 电力电子器件的发展趋势
➢ 新型电力电子器件呈现出许多优势，其发展主要有以下特点：
➢ 1）集成化 具有主回路、控制回路、检测、保护功能于一体的 智能功率集成电路发展迅速，其中IGBT的智能化模块IPM已得 到了广泛的应用。