常见的变频器用电力电子器件简介

1.全控型电力电子器件

（1）门极关断（GTO）晶闸管

1964年，美国第一次试制成功了500V/10A的GTO。自1970年中期开始，GTO的研制取得突破，相继出世了1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A的产品，目前已达9kV/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。图11-3所示为三菱FGR3000FX-90DA系列GTO的外观与符号，其通态平均电流为780A，同时能承受4500V电压。

在当前各种自关断器件中，GTO容量最大、工作频率最低（1～2kHz）。GTO是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流；GTO通态压降大、dV/dT及di/dt耐量低，需要庞大的吸收电路。目前，GTO虽然在低于2000V的某些领域内已被GTR和IGRT等所替代，但它在大功率电力牵引中有明显优势。

（2）大功率晶体管（GTR）

GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，产生于20世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400V/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管的固有特性，又增大了功率容量，因此由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。图11-4所示为富士1D600A-030 GTR模块的外观。

图11-3 三菱GTO外观与符号

a）外观 b）符号

图11-4 1D600A-030 GTR外观

（3）功率MOSFET

功率MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小。功率MOSFET的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。图11-5所示为三菱FM200TU-07A系列MOSFET外观和工作原理。

图11-5 MOSFET外观和工作原理

a）外观 b）工作原理(www.xing528.com)

2.复合型电力电子器件

（1）绝缘门极双极型晶体管（IGBT）

IGBT是由美国GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，当时容量仅为500V/20A。至20世纪90年代初，IGBT已开发完成第二代产品。目前，第三代智能IGBT已经出现，科学家们正着手研究第四代沟槽栅结构的IGBT。IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道，提供晶体管基极电流使IGBT导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟道，使IGBT因流过反向门极电流而关断。IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。图11-6所示为西门子BSM 100 GAL120 DN2系列IGBT的外观。

（2）MOS控制晶闸管（MCT）

MCT最早由美国GE公司研制，是由MOSFET与晶闸管复合而成的新型器件。每个MCT器件由成千上万的MCT元组成，而每个MCT元又是由一个PNPN晶闸管、一个控制MCT导通的MOSFET和一个控制MCT关断的MOSFET组成。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。图11-7所示为HARRIS公司的MCT3D65P100F2系列MCT的外观与工作原理图。

（3）功率集成电路（PIC）

PIC是将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上。一般认为，PIC的额定功率应大于1W。功率集成电路还可以分为高压功率集成电路（HVIC）、智能功率集成电路（SPIC）和智能功率模块（IPM）。这里以最常用的IPM为例进行介绍。

图11-6 西门子BSM 100 GAL 120 DN2系列IGBT外观

图11-7 MCT外观与原理

a）外观 b）原理

IPM除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过电压、过电流、过热等故障监测电路，并可将监测信号传送至CPU，以保证IPM自身在任何情况下不受损坏。当前，IPM中的功率器件一般由IGBT充当。由于IPM体积小、可靠性高、使用方便，故深受用户喜爱。IPM主要用于交流电动机控制、家用电器等。图11-8所示为富士6MBP15RH060系列IPM的外观与原理。

小贴士

比较而言，IGBT的开关速度低于功率MOSFET，却明显高于GTR；IGBT的通态压降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；IGBT的电流、电压等级与GTR接近，而比功率MOSFET高。目前，其研制水平已达4500V/1000A。由于IGBT具有上述特点，在中等功率容量（600V以上）的UPS、开关电源及交流电动机控制用PWM逆变器中，IGBT已逐步替代GTR成为核心元件。IGBT的发展方向是提高耐压能力和开关频率、降低损耗以及开发具有集成保护功能的智能产品。