超大功率晶闸管与新型GTO器件IGCT

2.1 超大功率晶闸管

晶闸管是电力电子中传统的电力电子器件。自问世以来, 它的功率容量已提高了近3000倍，具有最高的功率等级（12kV，6kA）。并且因为晶闸管可以光触发，所以它很容易就可实现串联连接。为阻断13-kV电压，提出一种13-kV不对称晶闸管和13-kV二极管相串联的新器件概念，并通过使用一种基于N+发射极前的深埋场阻层的场阻（field stop）技术，13-kV二极管反向恢复性能得到显著改善。晶闸管的主要的缺点是不能自关断，只能靠电路本身将其电流置零。因此，晶闸管在关断的时候需要消耗很大的无功功率。文章来源：http://www.igbt8.com/jc/273.html

我国以晶闸管为代表的第一代半控电力电子器件的产业业已成熟，种类齐全，质量可靠，产品、技术水平已居世界前列，如：5英寸7200V/3000A和6英寸8500V/（4000～4750）A电控晶闸管以及5英寸7500V/3125A光控晶闸管已实现了产业化，并已经成功用于高压直流输电和无功补偿等领域。预计在今后若干年内，晶闸管仍会在高电压，大电流应用场合得到继续发展。

1982年日本日立公司首先研制成功2500V，1000A的GTO。目前许多生产商均可提供额定开关功率36 MVA ( 6000V, 6000A )用的高压大电流GTO。为了折衷它的导通、开通和关断特性，传统GTO的典型的关断增量仅为3-5。 GTO关断期间的不均匀性引起的“挤流效应”使GTO关断期间dv/dt必须限制在（500-1000）V/μs。为此，人们不得不使用体积大，笨重、昂贵的吸收电路。它的其它缺点是门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。但是，高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量和有可能在内部集成一个反并二极管这些突出的优点仍使人们对GTO感到兴趣。到目前为止, 传统的GTO在高压、大功率牵引、工业和电力逆变器中是应用得最为普遍的门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6英寸、6000V / 6000A以及9000V/ 10000A。这种GTO采用了大直径均匀结技术和全压接式结构，通过少子寿命控制技术折衷了GTO导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。由于GTO具有门极全控功能，它正在许多应用领域逐步取代SCR。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功率电压源的需要，可望解决几十个高压GTO串联的技术，可使电力电子技术在电力系统中的应用方面再上一个台阶。
目前， IGCT电压已达到9kV/6kA研制水平， 而6.5kV或者是6kA的器件已经开始供应市场了。如用串联，逆变器功率可扩展到100MVA范围而用于电力设备。因此, IGCT可望成为高功率高电压低频变流器的优选电力电子器件之一。但是，从本质上讲，IGCT仍属于GTO系列，它主要是克服了GTO实际应用中存在的门极驱动的难题。而IGCT门极驱动电路中包含了许多驱动用的MOSFET和许多储能电容器，所以实际上它仍旧需要消耗较大的门极驱动功率，影响系统的总效率。