1.5 SPWM多电平逆变器所用的开关器件

现代高压大功率级联式 SPWM多电平逆变器所用的开关器件主要有四种，即 IGBT、IGCT、GTO及SCR。其中IGBT主要用做本书将要介绍的各种H桥及SPWM直流电源级联式SPWM多电平逆变器的SPWM控制开关，是应用最为普遍的一种SPWM开关器件；IGCT主要用做钳位式三电平逆变器的SPWM逆变开关；GTO主要用做不同开关器件单相全桥逆变器（FBI或2H桥及3H桥）、混合级联式SPWM多电平逆变器中的低频高压H桥的逆变开关；SCR主要用做第5章、第6章中将要重点介绍的，最近才由作者研发出来的SPWM直流电源级联式多电平逆变器中的基频ZVS逆变开关。

1.5.1 晶闸管（SCR）

可控硅整流器件（Silicon Controlled Rectifier，SCR）也叫做晶闸管，是一种四层（PNPN）三端半导体器件，其结构和符号如图1-5所示。

由图1-5可知，SCR有三个PN结。如果只在阳极A和阴极C之间加一个正向电压，器件中将没有电流流通。若同时在控制极G和阴极C之间加一个正向电压，使一定的电流流过控制极时，则SCR就会像半导体二极管一样导通。SCR一旦导通，即使去掉控制极电压，只要其阳极A和阴极C之间的正向电压存在，它就会继续导通。这种特性和闸流管相似，故称它为晶闸管。

因为晶闸管具有三个PN结，所以晶闸管可以等效为三个二极管串联，也可以用PNP和NPN两个晶体管等效，如图1-6所示。当晶闸管承受正向电压时，每个晶体管的集电极电流就是另一个晶体管的基极电流。由晶体管的基本原理可得

因此有

图1-6中的阴极电流IC在N2 区域是电子扩散电流，此电流流过J2 结的部分为α2 IC （α2为N2 P2 N1晶体管的电流放大倍数）。此外，流过J2 结的还有晶体管的反向漏电流ICO，若阳极电流为IA，则流过J2结的电流还有α1 IA（α1为P1 N1 P2 晶体管的电流放大倍数），由此可以得到

若控制极电流为IG，则阴极电流等于阳极电流与控制极电流之和，即

将式（1-5）代入式（1-4）可以得到

由式（1-6）可以看出，只要两只晶体管的电流放大倍数之和（α1+α2）接近于1，IA将急剧增大，并且不受IG的控制，且即使在IG=0的情况下，仍然可以保持IA很大。这表明晶闸管一旦导通，只要继续在正向电压的作用下，即使IG=0，晶闸管仍可以维持导通状态。

这里提醒读者注意的是，即使是同一型号的SCR，其控制极的触发特性也有较大的差别，而且同一个SCR的控制极触发电压和触发电流是随温度的变化而变化的。在晶闸管使用手册中给出的最大控制极触发电压和最大控制极触发电流，不是指允许值，而是指该型号的所有SCR都能保证触发而需要的最小控制极电压和最小控制极电流。

当温度变化时，触发电压和触发电流会有明显的变化。通常，在+100℃高温下需要的触发电压或电流比室温下低2～3倍，在-40℃低温下需要的触发电压或电流比室温下要高2～3倍。

另外，晶闸管使用手册中给出的触发电流值为直流值。在实际应用中，一般常用脉冲触发，脉冲的持续时间应足以使阳极电流上升到擎住电流以上，此时即使触发脉冲消失也能维持SCR导通。如果脉冲持续时间很短，则必须提高触发脉冲电流的幅值。持续时间越短，要求的幅值越大，幅值增加的倍数要远远大于持续时间减小的倍数。但是SCR的控制极上不能施加过大的电压和电流。一般来说正向控制极电压不能超过10V，反向控制极电压不能超过5V。控制极电压电流过大会使控制极烧坏。

开关时间也是SCR运用的一个重要参数。在晶闸管使用手册中给出的导通时间ton和关断时间tof是典型值，不同型号的SCR的开关时间是在不同指定状态下测得的，所以在引用时必须要注意。影响导通时间的主要因素有温度、导通前的正向电压和导通后的正向电流。温度越高、电压越大，导通时间越短，达到所需电流越大，所需时间越长。影响关断时间的主要因素有温度、关断前的正向电流、反向电压、反向电流上升率等。温度越高、正向电流越大，关断时间越长；反向电压越大，反向电流上升率越高，关断时间越短。

由此可见，在选用SCR时，必须将典型值和具体使用条件结合起来考虑。

1.5.2 可关断晶闸管（GTO）

可关断晶闸管（GateTurn-OffThyristor，GTO）是SCR的派生器件，两者的结构和工作原理大同小异。GTO和SCR一样，当被栅极控制电路触发导通后，会一直维持其导通状态。要想使SCR从导通转换成关断，必须在其阴极-阳极之间加反向偏置而强迫其关断，或者是等其阳极电流减小到某一值时而自然关断，不能通过栅极进行控制。GTO和SCR不同之处是当GTO处于导通状态时，只要在栅极加入反向电流且达到某一数值时，GTO就被强迫关断。也就是说，GTO是借助栅极电流来控制其导通和关断的。因此，GTO是一个电流控制型的自关断开关器件。GTO的结构、等效电路和电气符号如图1-7所示。可以看出， GTO和SCR的结构是完全相同的。GTO的导通过程与SCR基本相同，只要使栅极流入的正向电流满足其导通条件，即α1+α2 ＞1，就能使GTO导通。

GTO的关断过程是在其栅极上加上一个足够大的反向电流IO以将IC1抽走，则第二只晶体管（N1 P2 N2）的电流放大倍数将急剧下降，从而使IC2下降，而第一只晶体管（P1 N1 P2）的电流放大倍数也将随之急剧下降。当α1+α2 ＜1时，IA降到零，GTO关断。

GTO的内部结构也如图1-7所示。为了增强栅极的控制能力，从而实现GTO的可靠关断，与SCR相比，GTO扩大了P基区（栅极区）对N+发射区（阴极区）的相对面积。从图1-7可以看出，这是通过将N+发射区分割成许多小区域来实现的，这些小的N+发射区又被P基区所包围，它们公用P基区，N基区和P+发射区，各自形成一个GTO管芯小单元。这些小单元有独立的阳极，用压接的方法将这些小单元的阴极并接在一个阴极压板上，构成GTO的总阴极C，而它们的阳极是公用的，一般是用钼片或钨片烧结在P+发射区的表面上构成GTO的总阳极A。其栅极为梳齿状的铝层，它们沉积在P基区的表面上，最终汇集成一个总栅极G。一个完整的GTO管芯就是由这些小单元组成的。

GTO的关断过程与SCR完全不同，它是靠反偏栅极将P基区中的空穴抽出来实现的。由于GTO的栅极与阴极在器件的同一侧，栅极与阴极之间的距离很短，所以有利于从P基区中抽走空穴。当P基区等离子体中的空穴被栅极负电流抽走时，J2 结和J3 结的正向偏置条件被削弱，N+发射区通过J3结向P基区注入额外电子的效率随之下降，到正向偏置条件完全丧失时，额外电子的注入情况也就停止了。当J3 结恢复其反向偏置状态，J2 结恢复其反向阻断能力时，GTO就关断了。

某些GTO的主要参数如表1-1所示。

1.5.3 绝缘栅双极晶体管（IGBT）

绝缘栅双极晶体管（Insulated GateBipolarTransistor，IGBT）是将功率MOSFET和双极型功率晶体管组合在一起的一种复合功率器件。它既具有MOSFET管的通/断速度快、输入阻抗高、驱动功率小和驱动电路简单等优点，又具有大功率双极晶体管的容量大和阻断电压高的优点，是当前应用最为广泛的高频SPWM开关器件。

IGBT的基本结构、电气符号、等效电路及低压区输出特性示意图如图1-8所示。其中图1-8（a）为IGBT的基本结构，与MOSFET比较，IGBT在MOSFET的漏极下又增加了一个P+区，多了一个PN结（J1）。IGBT的电气符号如图1-8（b）所示。其等效电路如图1-8（c）所示，它是由MOSFET和双极型功率晶体管复合而成的。IGBT的低压区输出特性如图1-8（d）所示。

由于IGBT是MOSFET和双极型功率晶体管的复合器件，所以它具有以下特点。

① IGBT的输入级是MOSFET，在G和E之间加上驱动电压时，MOSFET便进入导通状态（或关断状态）。因此，IGBT是一种电压控制器件。

②在IGBT中，由于MOSFET的开关速度非常快，所以IGBT的开关速度取决于等效晶体管的开关速度。在IGBT中，通过对N+区厚度的最佳化来抑制过量载流子的注入，并通过引入寿命抑制机构，减少存储载流子的消散时间来缩短等效晶体管的开关时间，从而可以提高IGBT的开关速度，使其比双极型晶体管快得多。

③当在IGBT的集电极—发射极之间加上负电压时，由于P+N结（J1 结）处于反向偏置，所以在集电极—发射极之间不可能有电流流过。又由于IGBT比MOSFET多了一个J1结，所以IGBT比MOSFET具有更高的耐压。

由于IGBT的P+区的存在，使IGBT处于导通状态时，正载流子会从P+区注入并积聚在N区中，从而使IGBT在导通时呈现低阻状态，所以IGBT的电流容量要比MOSFET大。

④ IGBT处于导通状态时，UCE的大小能反映过流情况。因此，可以通过测量UCE来识别过流情况，一旦UCE高于某一个数值，则表明出现过流情况，此时可以通过控制栅极电压快速变为零或负电压来使IGBT快速关断，从而实现对IGBT的过流保护。

通过以上分析可以看出，IGBT具有正、反向阻断电压高，通态电流大，可以通过电压来控制其导通或关断等特点。同时，由于采用了MOS栅，所以其控制电路的功耗小，导通和关断时的静态功率损耗也很小，只有在状态转换过程中存在一定的动态损耗。对于这种动态损耗，可以通过软开关技术使其减到最小。由于IGBT具有这些特点，才使其被广泛地作为SPWM功率开关器件用在了逆变电路中。

1.5.4 集成门极晶闸管（IGCT）

IGCT是由一种特殊结构的GTO晶闸管和特殊的外围MOS开关电路组合而成的一种开关器件。由于其门极关断电路的感抗特低，所以可以瞬时流过极大的电流，从而去关断GTO晶闸管。

1.5.5 开关器件的选择

普通型的SCR的电压已高达6000V以上，电流已达数千安培，其自身正向压降为1.5～3V，工作频率不大于400Hz；GTO的容量已达到6000V/3000A以上，其自身正向压降约为3.2V，工作频率可达500Hz；IGCT的电压可以达到4.5～6000V以上，电流可达250～4000A，工作频率可达1000Hz；IGBT的电压已达1200V，最大电流为1000A，工作频率可以高达100kHz，其自身正向压降约为3V。

GTO、IGCT、IGBT的参数比较如表1-2所示。

在选择开关器件时，应根据以下几个因素进行选择：开关频率、容量、电压和电流等，其中应首先考虑的是开关频率。图1-9给出了各种开关器件的容量及适用的频率对比。具体选择时，首先应根据H桥级联多电平逆变器的工作频率确定出器件的开关频率，然后再根据多电平逆变器的容量、电压与电流等来选择与电压、电流等级适合的开关器件。

对于中等容量和中等工作频率的H桥级联式多电平逆变器（如从几千伏安到兆伏安级的H桥级联多电平逆变器），通常选用IGBT作为SPWM开关器件。而对于大容量低频率的H桥级联多电平逆变器，可以选用IGBT、IGCT和GTO等开关器件。现在的IGBT开关器件，由于其制造技术取得了长足的进步，以及其开关频率可以为几十千赫兹以下，故可以使用的容量范围越来越大。例如，EUPEC公司生产的IGBT开关器件，其最高电压已经达到6500V，最大电流已经达到2500A，其覆盖的电压、电流等级及容量等级很宽，已经逐渐靠近IGCT的范围。再加上IGBT开关器件的驱动比较简单，是电压型控制器件，因此它在不同用途的高压大功率H桥级联多电平逆变器中得到了普遍的应用。在本书中，如果不做特别的说明，H桥级联多电平逆变器所选用的SPWM开关器件都是IGBT。因此，IGBT在所有的开关器件中，是最重要的一种。IGBT开关器件的基本结构、电气符号、简化的等效电路及低压区输出特性请参考图1-8。一般在制造IGBT时，都会在其反向生成一个反并联二极管，以作为逆变器的无功反馈和续流用。

下面简单地介绍一下与IGBT安全工作和容量相关的几个参数。

（1）集电极—发射极电压UCES

集电极—发射极电压UCES是指当IGBT器件的栅极与发射极短接时，IGBT在关断状态下，集电极与发射极之间允许的最高电压。通常情况下，考虑到在IGBT关断时，由于线路上有电感，容易在关断时因电流下降率大而产生电压尖峰，所以应选择IGBT工作时承受的集电极—发射极电压为IGBT最高电压的50%左右。这是选择IGBT的一个关键。

（2）连续工作的集电极直流电流IC

连续工作的集电极直流电流IC是指在给定的管壳温度下，IGBT可以将IGBT的结温升到最大允许的结温时的直流电流。通常给出的是IGBT管壳温度为25℃、结温为150℃时的直流电流值。有的产品也会给出其他壳温值及结温为150℃时的直流电流值。在一般情况下，IGBT实际运行时的壳温与给出的值都不一样，因此IGBT开关器件的说明书可能会给出IC随壳温度变化的曲线或给出几种壳温情况下对应的IC值，这时可以根据IGBT工作时允许的壳温（与冷却方式及环境温度有关）估算出对应的连续工作电流。应注意到该电流是直流电流，而将IGBT开关器件用于逆变器时，由于通过它的电流通常是半波的正弦电流，所以选择IGBT开关器件时应该按工作时IGBT流过的电流求出平均电流（平均电流应该比IC小一些）。特别要注意的是，当利用有效值电流计算平均值电流时，一定要注意电流流过IGBT开关器件时波形的形状，只有这样才能较准确地计算平均值电流，从而选择合适的连续工作的集电极直流电流值的IGBT开关器件，否则通常容易选择过大的IGBT开关器件，造成浪费。

（3）连续峰值集电极电流ICM

在暂态情况下，IGBT集电极—发射极之间能够流过的最大电流（ICM）比连续工作电流大很多。一般IGBT开关器件会给出在1ms时间内，IGBT能够通过的最大集电极—发射极电流，通常该值为连续工作直流电流的1倍。当然，如果时间更短，则IGBT能够流过的最大集电极—发射极电流更大。

在选择IGBT开关器件时，应该详细地了解IGBT开关器件的情况，可以对照开关器件的参数表、安全工作区间、损耗及对驱动的要求等考虑开关器件的性能，以便选择出更加合适的开关器件。