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电力电子开关器件特性

目前,各类电力电子器件所达到的功能水平如下:
 普通晶闸管:12kv、1ka;4kv、3ka。
可关断晶闸管:9kv、1ka;4.5kv、4.5ka。
逆导晶闸管:4.5kv、1ka。
光触晶闸管:6kv、2.5ka;4kv、5ka。
电力晶体管:单管1kv、200a;模块1.2kv、800a;1.8kv、100a。
场效应管:1kv、38a。
绝缘栅极双极型晶体管:1.2kv、400a;1.8kv、100a。
静电感应晶闸管(sith):4.5kv、2.5ka。
场控晶闸管:1kv、100a。
图1中示出主要电力电子器件的控制容量和开关频率的应用范围。
图1 电力电子器件的控制容量和开关频率的应用范围
1.绝缘栅极双极型晶体管(igbt)
igbt(insulatedgatebipolartransistor)是在gtr和mosfet之间取其长、避其短而出现的新器件,它实际上是用mosfet驱动双极型晶体管的,兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。gtr饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;mosfet驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。igbt综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。
igbt是多元集成结构,每个igbt元的结构如图2(a)所示,图2(b)是igbt的等效电路,它由一个mosfet和一个pnp晶体管构成,给栅极施加正偏信号后,mosfet导通,从而给pnp晶体管提供了基极电流使其导通。给栅极施加反偏信号后,mosfet关断,使pnp晶体管基极电流为零而截止。图2(c)是igbt的电气符号。
igbt的开关速度低于mosfet,但明显高于gtr。igbt在关断时不需要负栅压来减少关断时间,但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。igbt的开启电压约3~4v,和mosfet相当。igbt导通时的饱和压降比mosfet低而和gtr接近,饱和压降随栅极电压的增加而降低。
图2 igbt的简化等效电路图
(a)结构;(b)等效电路;(c)电气符号
2. 场控晶闸管(mct)
mct(moscontrolledthyristor)是mosfet驱动晶闸管的复合器件,集场效应晶体管与晶闸管的优点于一身,是双极型电力晶体管和mosfet的复合。
一个mct器件由数以万计的mct元组成,每个元的组成如下:pnpn晶闸管一个(可等效为pnp和npn晶体管各一个),控制mct导通的mosfet(on-fet)和控制mct关断的mosfet(off-fet)各一个。当给栅极加正脉冲电压时,n沟道的on-fet导通,其漏极电流即为pnp晶体管提供了基极电流使其导通,pnp晶体管的集电极电流又为npn晶体管提供了基极电流而使其导通,而npn晶体管的集电极电流又反过来成为pnp晶体管的基极电流,这种正反馈使α1+α2>1,mct导通。
当给栅极加负电压脉冲时,p沟道的off-fet导通,使pnp晶体管的集电极电流大部分经off-fet流向阴极而不注入npn晶体管的基极,因此,npn晶体管的集电极电流(即pnp晶体管的基极电流)减小,这又使得npn晶体管的基极电流减小,这种正反馈使α1+α2<1,mct关断。
mct阻断电压高,通态压降小,驱动功率低,开关速度快。虽然mct目前的容量水平仅为1000v/100a,其通态压降只有igbt或gtr的1/3左右,但其硅片的单位面积连续电流密度在各种器件中是最高的。另外,mct可承受极高的di/dt和du/dt,这使得保护电路可以简化。mct的开关速度超过gtr,开关损耗也小。总之,mct被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。
3.静电感应晶体管(sit)
sit(staticinductiontransistor)实际上是一种结型电力场效应晶体管,其电压、电流容量都比mosfet大,适用于高频,大功率的场合。当栅极不加任何信号时,sit是导通的;栅极加负偏压时关断。这种类型的sit称为正常导通型,使用不太方便。另外,sit通态压降大,因此通态损耗也大。
4.静电感应晶闸管(sith)
sith(staticinductionthyristor)是在sit的漏极层上附加一层和漏极层导电类型不同的发射极层而得到的。
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