概述

             一個理想的功率器件，應當具有下列理想的靜態和動態特性:在截止狀態時，能承受較高的電壓；在導通狀態時，能承受大電流并具有很低的壓降；在開關轉換時，開/關速度快，能承受很高的di/dt和dv/dt，同時還應具有全控功能。 

             自從50年代硅晶閘管問世以后，功率半導體器件的研究工作者為達到上述理想目標做出了不懈的努力。60年代后期，可關斷晶閘管GTO實現了門極可關斷功能，并使斬波工作頻率擴展到1kHz以上。70年代中期，高功率晶體管和功率MOSFET問世，功率器件實現了場控功能，打開了高頻應用的大門。80年代，盡緣柵門控雙極型晶體管（IGBT）問世，它綜合了功率MOSFET和雙極型功率晶體管兩者的功能。它的迅速發展，又激勵了人們對綜合功率MOSFET和晶閘管兩者功能的新型功率器件-MOSFET門控晶閘管的研究。因此，當前功率器件研究工作的重點主要集中在研究現有功率器件的性能改進、MOS門控晶閘管以及采用新型半導體材料制造新型的功率器件等。
大功率器件及其發展
    
門極關斷晶閘管（GTO） 

             大功率晶閘管（SCR）在過往相當一段時間內，幾乎是能夠承受高電壓和大電流的唯一半導體器件。因此，針對SCR的缺點，人們很自然地把努力方向引向了如何使晶閘管具有關斷能力這一點上，并因此而開發出了門極關斷晶閘管。

             用GTO晶閘管作為逆變器件取得了較為滿足的結果，但其關斷控制較易失敗，故仍較復雜，工作頻率也不夠高。而幾乎是與此同時，電力晶體管（GTR）迅速發展起來，使GTO晶閘管相形見綽。因此，在大量的中小容量變頻器中，GTO晶閘管已基本不用。但因其工作電流大，故在大容量變頻器中仍居主要地位。
   
 盡緣柵雙極晶體管（IGBT）

             IGBT是MOSFET和GTR相結合的產物。其主體部分與晶體管相同，也有集電極（C）和發射極（E），但驅動部分卻和場效應晶體管相同，是盡緣柵結構。

             IGBT的工作特點是：控制部分與場效應晶體管相同，控制信號為電壓信號UGE，輸人阻抗高，柵極電流IG≈0，驅動功率很小。而其主電路部分則與GTR相同，工作電流為集電極電流輸進。此外，其工作頻率可達20kHz。由IGBT作為逆變器件的變頻器的載波頻率一般都在10kHz以上，故電動機的電流波形比較平滑，基本無電磁噪聲。

             固然硅雙極型及場控型功率器件的研究已趨成熟，但是它們的性能仍在不斷進步和改善，近年來出現的集成門極換流晶閘管（IGCT）可看迅速地取代GTO。

         集成門極換流晶閘管 （IGCT）

             集成門極換流晶閘管IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）是1996年問世的一種新型半導體開關器件。該器件是將門極驅動電路與門極換流晶閘管GCT集成于一個整體形成的。門極換流晶閘管GCT是基于GTO結構的一種新型電力半導體器件，它不僅有與GTO相同的高阻斷能力和低通態壓降，而且有與IGBT相同的開關性能，即它是GTO和IGBT相互取長補短的結果，是一種較理想的兆瓦級、中壓開關器件，非常適適用于6kV和10kV的中壓開關電路。IGCT芯片在不串不并的情況下，二電平逆變器容量0.5M～3MVA，三電平逆變器1M～6MVA。若反向二極管分離，不與IGCT集成在一起，二電平逆變器容量可擴至4.5MVA，三電平擴至9MVA，現在已有這類器件構成的變頻器系列產品。目前，IGCT已經商品化，ABB公司制造的IGCT產品的最高性能參數為4.5kV／4kA，最高研制水平為6kV／4kA。1998年，日本三菱公司開發了直徑為88mm的6kV／4kA的GCT晶閘管。
    
IGCT的結構與工作原理

             IGCT與GTO相似，也是四層三端器件，GCT內部由成千個GCT組成，陽極和門極共用，而陰極并聯在一起。與GTO的重要差別是GCT陽極內側多了緩沖層，以透明（可穿透）陽極代替GTO的短路陽極。其導通機理與GTO一樣，但關斷機理與GTO完全不同。在GCT的關斷過程中，GCT能瞬間從導通轉到阻斷狀態，變成一個PNP晶體管以后再關斷，所以，它無外加du／dt限制；而GTO必須經過一個既非導通又非關斷的中間不穩定狀態進行轉換，即"GTO區"，所以GTO需要很大的吸收電路來抑制重加電壓的變化率du／dt。阻斷狀態下GCT的等效電路可以為是一個基極開路、低增益PNP晶體管與門極電源的串聯。

             GCT無中間區、無緩沖關斷的機理在于，強關斷時可使它的陰極注進瞬時停止，不參與以后過程。改變器件在雙極晶體管模式下關斷，條件是在P基N發射結外施加很高負電壓，使陽極電流很快由陰極轉移（或換向）至門極（門極換向晶閘管即由此得名），不活躍的NPN管一停止注進，PNP管即因無基極電流輕易關斷。GCT成為PNP管早于它承受全阻斷電壓的時間，而GTO卻是赟CR轉態下承受全阻斷電壓的，所以GCT可像IGBT無緩沖運行，無二次擊穿，拖尾電流雖大但時間很短。
    
IGCT的關鍵技術

             （1）緩沖層 在傳統GTO、二極管及IGBT等器件中，采用緩沖層形成穿通型（PT）結構，與非穿通型（NPT）結構相比，它在相同的阻斷電壓下可使器件的厚度降低約30%。同理，在GCT中采用緩沖層，即用較薄的硅片可達到相同的阻斷電壓，因而進步了器件的效率，降低了通態壓降和開關損耗，可得到較好的VT-Eoff。同時，采用緩沖層還使單片GCT與二極管的組合成為可能。

             （2）透明陽極 為了實現低的關斷損耗，需要對陽極晶體管的增益加以限制，因而要求陽極的厚度要薄，濃度要低。透明陽極是一個很薄的PN結，其發射效率與電流有關。由于電子穿透該陽極時就像陽極被短路一樣，因此稱為透明陽極。傳統的GTO采用陽極短路結構來達到相同目的。采用透明陽極來代替陽極短路，可使GCT的觸發電流比傳統無緩沖層的GTO降低一個數目級。GCT的結構與IGBT相比，因不含MOS結構而從根本上得以簡化。

             （3）逆導技術 GCT大多制成逆導型，它可與優化續流二極管FWD單片集成在同一芯片上。由于二極管和GCT享有同一個阻斷結，GCT的P基區與二極管的陽極相連，這樣在GCT門極和二極管陽極間形成電阻性通道。逆導GCT與二極管隔離區中由于有PNP結構，其中總有一個PN結反偏，從而阻斷了GCT與二極管陽極間的電流流通。

             （4）極驅動技術 IGCT觸發功率小，可以把觸發及狀態監視電路和IGCT管芯做成一個整體，通過兩根光纖輸進觸發信號，輸出工作狀態信號。GCT與門極驅動器相距很近（間距15cm），該門極驅動器可以輕易地裝人不同的裝置中，因此可以為該結構是一種通用形式。為了使IGCT的結構更加緊湊和堅固，用門極驅動電路包圍GCT，并與GCT和冷卻裝置形成一個自然整體，稱為環繞型IGCT，其中包括GCT門極驅動電路所需的全部元件。這兩種形式都可使門極電路的電感進一步減小，并降低了門極驅動電路的元件數、熱耗散、電應力和內部熱應力，從而明顯降低了門極驅動電路的本錢和失效率。所以說，IGCT在實現最低本錢和功耗的條件下有最佳的性能。另外，IGCT開關過程一致性好，可以方便地實現串、并聯，進一步擴大功率范圍。

             總之，在采用緩沖層、透明陽極、逆導技術和門極驅動技術后，IGCT從GTO中脫穎而出，在所有中高壓領域及功率為0.5M～100MVA的應用中代替了GTO。

         IGCT變頻器

             低壓IGBT和高壓IGBT在高電壓變頻器中都采用。IGBT具有快速的開關性能，但在高壓變頻中其導電損耗大，而且需要很多IGBT復雜地串聯在一起。對低壓IGBT來講，高壓IGBT串聯的數目相對要少一些，但導電損耗卻更高。元件總體數目增加使變頻器可靠性降低、柜體尺寸增大、本錢進步。因此高壓、大電流變頻調速器在IGBT和GTO成熟技術的基礎上，有了簡潔的方案-IGC。這個優化的技術包含了對GTO的重新設計，使其具有重要的設計突破。新的IGCT引進了快速、均衡換流和內在的低損耗，主要的設計性能含有可靠的陽極設計來達到快速泄流、低損耗薄型硅晶片使切換快速以及使用大功率半導體的集成型門驅動器。

             由于IGCT象IGBT那樣具有快速開關功能，象GTO那樣導電損耗低，在高壓、大電流各種應用領域中可靠性更高。IGCT裝置中所有元件裝在緊湊的單元中,降低了本錢。IGCT采用電壓源型逆變器，與其他類型變頻器的拓撲結構相比，結構更簡單，效率更高。對于4.16kV的變頻器，逆變器中需要24個高壓IGBT，如使用低壓IGBT，則需60個，而同類型變頻器若采用IGCT，則只需12個。 

             優化的技術只需更少的元件，相同電壓等級的變頻器采用IGCT的數目只需低壓IGBT的五分之一。并且，由于IGCT損耗很小，所需的冷卻裝置較小，因而內在的可靠性更高。更少的元件還意味著更小的體積。因此，使用IGCT的變頻器比使用IGBT的變頻器簡潔、可靠性高。

             盡管IGCT變頻器不需要限制du/dt的緩沖電路，但是IGCT本身不能控制di/dt（這是IGCT的主要缺點），所以為了限制短路電流上升率，在實際電路中常串進適當電抗。整套逆變器由11個元器件組成：6個IGCT（帶集成反向二極管），1個電抗，1個鉗位二極管，1個鉗位電容和1個電阻，一套門極驅動電源。一套3MVA的逆變器外形尺寸僅為780mmx590rnmx333mm，結構緊湊，并且元器件數少、可靠性高、本錢低。

             有效硅面積小、低損耗、快速開關這些優點保證了IGCT能可靠、高效地用于300 kVA～10MVA變流器，而不需要串聯或并聯。在串聯時，逆變器功率可擴展到100MVA。固然高功率的IGBT模塊具有一些優良的特性，如能實現di/dt和dv/dt的有源控制、有源箝位、易于實現短路電流保護和有源保護等。但因存在著導通損耗高、硅有效面積利用率低、損壞后造成開路以及無長期可靠運行數據等缺點，限制了高功率IGBT模塊在高功率低頻變流器中的實際應用。因此在大功率MCT問世以前，IGCT可看成為高功率高電壓變燈。