电力电子第二章第六讲.ppt

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。 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。 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。 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。 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。 2.9.3 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） 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。 IPM 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。 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。 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