理解功率变换器的基本元件

20世纪80年代初，主开关器件皆用可控硅（silicon controlled rectifier，SCR）。但SCR无自关断能力，开关频率低，强迫换相电路成本高，可靠性较差，构成的功率变换器总体性能有局限。20世纪80年代中期，门极可关断晶闸管（gate turn-off thyristor，GTO）受到重视，因为GTO兼有自关断能力、快速开关能力、能承受较高的电流和电压，所以，早期的SRM产品中有不少采用GTO作为开关器件的。近年来，考虑到GTO不断关断时需要相当大的反向控制电流，关断控制实现有难度，国外小功率开关磁阻电机常用金属氧化物半导体场效晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET），较大功率则采用绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）。

IGBT是由MOSFET和双极性晶体管（bipolar junction transistor，BJT）复合而成的一种器件。它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件易驱动和开关速度快的优点，又具有BJT的耐高电流、低导通压降的特性。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几万赫兹频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，尤其在中高容量的功率变换场合中占据了主导地位［2］。

IGBT的结构与MOSFET的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P＋基片和一个N＋缓冲层，如图7.1所示。若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，PNP晶体管的集电极与基极之间因形成低阻态而使得晶体管导通；若在IGBT的栅极和发射极之间加上负偏压或低于门限值时，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。

图7.1　IGBT结构

（a）IGBT结构；（b）IGBT等效电路模型。(www.xing528.com)

本文中选择型号为FF200R12KT3的IGBT作为功率电路的功率开关器件，其电路结构如图7.2所示。每一个IGBT模块都有两个主开关管，每个开关管两端均并联一个二极管。其中4和6端口分别是IGBT的弱电驱动端口，1、2、3、5和7作为功率转换电路的强电端口。

图7.2　IGBT及其电路结构

（a）FF200R12KT3实物图；（b）FF200R12KT3等效电路。

FF200R12KT3型号的IGBT在应用中的主要参数为：集电极发射机电压Vces＝1 200 V，门极发射极峰值电压Vges＝±20 V，集电极电流Ic＝200 A（T c＝80℃）、Ic＝295A（Tc＝80℃），开关时间ton＝0.016μs、toff＝0.45μs。二极管峰值反向电压VRRM＝1 200 V，峰值正向电流IFRM＝400 A。