电力电子器件的重要性和优势

用于变频器的功率器件可分为三类：

1）不控型两端器件，如二极管；

2）半控型三端器件，不控制关断，如晶闸管；

3）全控型三端器件，可控制导通、关断，如IGBT。

功率器件主要的技术参数是电压、电流、工作频率、开通时间等，生产厂商将电压、电流分成若干等级，供用户按变频器的容量选用。

变频器所用的功率器件应具备的条件有如下几项：

1）功率器件在关断状态下，应有足够的耐压能力，以适应所在电网高电压的要求，不致被击穿损坏；在此高电压作用下，漏电流不得大于允许值。

2）在导通状态下，具有较高的电流密度，能通过足够的电流定额，满足负载的需要，内阻要小，通态电压降要低。

3）开关损耗要小，同时在开关状态转换时具有足够短的开通时间和关断时间，使开关频率提高，同时SPWM的载波频率得以大大提高，输出波形更接近正弦波。

4）开关转换时能承受系统的di/dt、du/dt，保证系统正常运转。

5）控制极^[1]驱动功率小，损耗小，与上一项开关损耗相结合，使变频器的功率损耗大为降低，以适合变频装置的需要。

6）器件热阻小，内阻小，饱和压降小，电流容量大。才能使器件工作极限温度高。

根据以上要求，生产厂商对功率器件确定每一个等级产品的定额参数，并记入说明书中，供用户选用。

1.二极管

二极管是一种两端器件，功率二极管与一般小型二极管的区别是电压、电流定额很高、功率很大，因此尺寸较大。在变频器中的主要用途有：

1）用于不可控整流器，作为变频器的直流电源。

2）在逆变器中作反馈滞后电流用，又称续流管。

3）在多电平高压变频作钳位用。因此二极管在变频器中也属于重要的功率器件。用于变频器的功率二极管目前的技术水平为8kV/5kA，工作频率为400Hz，且还在提高中。

2.晶闸管

晶闸管是最早开发成功的开关器件，可说是开关器件中的“元老”。在低压变频器和高压变频器中用作可控整流器和逆变器，完成整流或逆变任务，其结构和图形符号如图1-11所示。

当晶闸管阳极加上正向电压，门极加上触发脉冲便可导通，导通后，只要电流不小于维持电流I_H就不会关断。其恢复关断的条件是

1）撤去正偏电压（阳极电压）。

2）对阴极加上反偏正电压强迫关断，一般用换相回路来实现，这会增加变频器的损耗。

3）导通后，使电流减小到某一值便会使其自然关断，此电流值叫做维持电流（I_H），意思是只要晶闸管电流大于此值就会保持导通。

晶闸管分普通型和其他派生型。普通晶闸管的主要特性参数有

图1-11 晶闸管的结构图形符号

1）额定电压U_E：就是阻断时能承受的电压，是现今所有开关器件最高的，达12kV或更高，被称为超大功率器件。

2）额定电流I_E：能长期通过的电流，其数值很大，达1kA以上。

3）工作频率：也称为开关频率，即单位时间内器件能够反复通断而不致误动作的开关次数。工作频率与开通时间t_on和关断时间t_off有关。所谓开通时间是指晶闸管门极从加上触发脉冲起，到管子完全导通的时间；关断时间是指管子承受阻断条件起，到完全阻断的时间。

晶闸管的工作频率只有100Hz，在IGBT、IGCT（Integrated Gate-Commuta-ted Thyristor，集成门极换流晶闸管）等器件未研制成功之前，曾经挑起变频调速的重任，目前只在特大功率下、频率要求很低的场合尚有应用。

3.门极关断晶闸管

门极关断晶闸管^[2]（Gate Turn-off Thyristor，GTO Thyristor）与普通晶闸管不同之处是，GTO导通后，对其门极加一足够大的负脉冲，就可使其关断，故属于全控器件。

GTO的特性参数涵义很多和晶闸管是相同的，只是数值有所区别。电压/电流为9kV/6kA，也被称为超大功率器件。工作频率达1kHz，已适合SPWM之用，至今仍不失为变频器的一支主力军，并已模块化。GTO是一种PNPN四层结构的电力电子器件，其结构和图形符号如图1-12所示，和普通晶闸管一样，有阳极A、阴极K和门极G。

图1-12 GTO的结构和图形符号

4.大功率晶体管(www.xing528.com)

大功率晶体管（Giant Transistor，GTR）的结构和图形符号和小型晶体管相同。目前常用的大功率晶体管分为三种：双极型GTR、达林顿晶体管和GTR模块。达林顿晶体管由多个单管复合而成，虽然提高了电流增益，但饱和电压降增大，开关速度较慢；故常用的为双极型GTR和GTR模块。GTR的主要参数有：

1）最高电压额定值U_cm∶即集电极的击穿电压值，达1.8kV。

2）最大电流额定值I_cm∶1kA

3）基极最大电流值I_BM∶I_BM=（1/2～1/6）I_CM

4）最高工作频率：500～1000Hz

GTR的电压/电流等级较高，在较低的高压等级条件下常被采用。GTR的主要缺点是易发生二次击穿，因此需要可靠的保护，此外耐电流浪涌能力di/dt也较差，也需有效保护；这些因素限制了它的用途。

5.功率场效应晶体管

功率（金属-氧化物-半导体）场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconduc-tor Field-Effect Transistor，MOSFET）是普通绝缘栅场效应管大功率化，其耐压达1000V，最大电流达200A，它比GTR优越的地方是：

1）开关频率高，为20kHz，而GTR只有10kHz；

2）稳态工作时栅极无电流通过，只有在动态过程才有位移电流出现，因此所需驱动功率比GTR小得多，驱动电路也比较简单。因此MOSFET在新一代变频器中得到了广泛应用。许多变频器之所以选用它，主要是有利于采用SPWM技术。

MOSFET结构和工作原理与普通场效应晶体管相同，其图形符号如图1-13所示，左图为N沟道MOSFET，右图为P沟道MOSFET。三个极分别为漏极D、源极S和栅极G，目前它多和续流二极管并联制成模块，每个模块为一桥臂二单元（即两个器件串联），使用甚为方便。MOSFET目前技术水平，耐压（开路阻断电压）为1000V，电流（最大持续电流）为200A，因此很有应用市场。

图1-13 MOSFET图形符号

6.绝缘栅双极型晶体管

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是新一代变频器中用得最普遍的开关器件，可说是“当家花旦”。其所以如此，是因为是它是一种将GTR与MOSFET巧妙结合一起的电压型双极/MOS复合器件；取长补短，具有输入阻抗高、开关速度快、器件损耗小、驱动电路简单、驱动功率小（可用集成块驱动）、极限温度高、热阻小、饱和压降和电阻低、电流容量大、抗浪涌能力强、安全区宽、并联容易及稳定可靠等一系列优点，超过GTR和MOSFET，实为一种理想的开关器件。图1-14所示为IGBT的图形符号和等效电路。目前IGBT已制成模块供应，有一单元（一个器件并联续流二极管），二单元（两个单元串联即一个桥臂），六单元（三个二单元构成三相桥）等型式。

图1-14 IGBT图形符号和等效电路

当IGBT集电极电流I_c瞬时过大，即使撤去栅极电压，器件也会导通，使栅极失去控制作用。如果外电路不能限制I_c增长，则可能发生二次击穿，损坏器件。设计和运行时应考虑防止出现这种现象。IGBT的安全区较宽，这对于保证正常工作是一个有利条件。

IGBT运行时也有偶然发生短路的现象，可以装设过电流限制电路，最新模块就有此种电路。通常用过电流产生到器件开始损坏这段时间来标志该器件承受短路的能力；时间越长，说明承受能力越强。

IGBT也有一些缺点，如HVIGBT（高压IGBT）内阻较大，使通态压降和损耗较大（不及IGCT），应用于高压变频器中时常常是串联使用。

7.智能功率模块

智能功率模块（Intelligent Power Module，IPM）是以IGBT电路为基础的集成电路，是电力电子技术发展史上的重大成果。首先是日本三菱电机公司，后来又有一些外国厂商开发出各种品牌的IPM，使应用IGBT变得更为方便可靠。因为IPM将IGBT和驱动电路、保护电路、检测电路等集成为一个模块，这就大大地方便了使用，缩短了设计与开发时间，增强了可靠性，图1-15所示为IPM结构示意图。其特点如下：

1）模块内集成了电流互感器，可以检测过电流、短路电流，不需要另设检测仪器仪表，降低了成本。

2）模块内有过电流、短路、电源欠电压，过热等保护功能，如果某种功能工作，即使输入是导通信号，也变为关断状态，并发出故障信号，确保安全使用，提高了可靠性。

3）不需要实施MOS系列的防静电措施，操作非常方便。

8.集成门极换流晶闸管

集成门极换流晶闸管（IGCT）也是现有的高压变频器中大量采用的开关器件，与IGBT可称为“变频双璧”或“姊妹花”。其图形符号如图1-16a所示^[3]，门极上连接的方框即为触发集成电路。IGCT常用于大功率高压变频器。它是在GTO基础上发展起来的器件，保留了GTO导通压降小，电压、电流高（4500～6000V，4000～6000A）的优点，又克服了GTO开关性能差的缺点（触发功率大、开关频率低），所以它和IGBT旗鼓相当，适合高压大容量变频器的要求。IGCT分逆导型、逆阻型和非对称型。制造厂商将开关器件和触发电路做成一个整体，这种模块用6个器件便组成一个三相桥，使用十分方便，因此，IGCT有取代GTO的可能。

图1-15 IPM结构示意图

图1-16 IGCT符号

a）图形符号 b）国外文献中出现的几种画法

9.MOS控制晶闸管

MOS控制的晶闸管（MOSFET Controlled Thyristor，MCT）是MOSET与双极型器件结合的产品，实际上是一种MOS控制的GTO。与IGBT不同的是通过MOS控制发射极短路来实现关断，其结构与图形符号如图1-17所示。此种器件也具有高输入阻抗与快速开关能力，且电压高、负载电流大，驱动功率小又不要另加关断电路，故最适于取代GTO。目前MCT电压电流定额为1kV/100A，已经投入使用。GTO关断的门极触发电流为阳极电流的1/5，对大容量变频器实在不利；而且开关频率只有300Hz，而MCT达2kHz，故MCT也是有很大发展前途的器件。

图1-17 MCT结构与图形符号