 单极型器件：由一种载流子参与导电的器件，如MOSFET； 单极型器件只有一种载流子（多数载流子）参与导电，是电压控制型器 件，具有控制功率小、驱动电路相对简单、工作频率高、无二次击穿问 题、安全工作区宽等显著特点，其缺点是通态压降大、导通损耗大。  双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，如BJT； 双极型器件中两种载流子都参与导电，具有通态压降小、导通损耗小的 显著特点，多数属于电流控制型，其缺点是控制功率大、驱动电路较复 杂、工作频率较低、有二次击穿问题等。

　　小于10J。内部集成的反并联续流二极管（快恢复二极管），通态平均电流为290A，

　　通态压降为5.2V，反向恢复电流变化率小于530A/µS，反向恢复电流小于780A。

　　 门极硬驱动技术：采用“硬驱动”技术，GCT通过印刷电路版与门极驱动电

　　• IGCT的结构：  门极驱动器装入不同的装置，GCT与门极 驱动器相距很近，该结构是一种通用形式。  环绕型IGCT，为了使IGCT的结构更加紧凑 和坚固，用门极驱动电路包围GCT，并与 GCT和冷却装置形成一个自然整体，其内包含

　　 电流控制型器件：一般通过从控制极注入或抽出控制电流的方式来实现对 导通或关断的控制，如SCR；  电压控制型器件：利用场控原理控制的电力电子器件，其导通或关断是由 控制极上的电压信号控制的，控制极电流极小，如IGBT。

　　20世纪80年代中期，人们普遍看好MCT（MOS控制晶栅管），其原因在于当时美 国GE公司己有产品，美国的Harris公司己可批量向市场提供这类器件。 MCT是一个MOS门的PNPN晶闸管，它可以在MOS门上加一个窄脉冲控制其导通和 关断，与其他电力半导体器件不同的是，MCT具有小细胞结构，而其器件具有大量 并联而匹配的单胞。它的频率与IGBT差不多，但其低的通态压降是一个明显的优点， 且器件不存在二次击穿的问题，其dv/dt与di/dt耐量可达2000V/μs与20000A/μs 以上， 故应用它可制成无缓冲电路的变流器。

　　• 以5500V、1800A（最大可关断阳极电流值）的逆导型IGCT为例，通态平均电流为 700A，通态压降为3V，通态阳极电流上升率为530A/µS，导通延迟时间小于2µS， 上升时间小于1µS，关断延迟时间小于6µS，下降时间小于1µS，最小通态维持时 间为10µS，最小断态维持时间为10µS，导通每脉冲能耗小于1J，关断每脉冲能耗

　　功率器件概述 大容量多电平变换器发展概述 高压变频器对电网的影响 高压变频器对电动机的影响 三电平PWM电压源变频器原理 三电平PWM逆变控制策略

　　PWM整流的基本原理 三电平PWM整流控制策略 IGCT系统现存问题初步探讨

　　系统取代汞弧整流器，为变流器的固体化、静止化及无触点化奠定了基础，并获 得了巨大的节能效果。发展极为迅速，出现了快速晶闸管、光控晶闸管、非对称 晶闸管及双向晶闸管等派生晶闸管。它经历了50年代的萌芽生长期、60年代的工 艺技术革新和品种开发期、70年代的提高可靠性和扩大应用期，如今已进入大规 模生产和成熟应用期。 共同特点：换相关断、大电流、高电压、工作频率在几百Hz到一千Hz。

　　混合型器件又称复合型器件，综合了单极型和双极型各自的优点，利用 双极型器件作为它的输出级，而利用单极性器件作为它的输入级。

　　它们都是从牵引应用开始，随着成本的下降和额定功率的上升，逐步扩展到工业驱

　　动领域，最后进入电力传输领域。 IGCT恰恰倒转了这种趋势，它首先以4.5 KV /4KA额定值应用于电力传输领域，然 后向下扩展到300A额定值，应用于中等电压驱动范围，最后在21世纪进入牵引市 场。 • 目前IGCT最大容量，反向阻断型为4500V、4000A，逆导型为5500V、1800A。用 于三电平逆变器时，输出最高交流电压为4160V，如要求更高的输出电压，比如 6KV交流输出，只能采取器件直接串联。

　　 全控型器件：通过门极信号既能控制其导通又能控制其关断的器件，如 BJT、IGBT、GTO、IGCT。

　　续流二极管做成一个整体，成为IGCT，通过光纤输入触发信号，输出工作 状态信号。  综述： IGCT采用逆导技术可将GCT与续流二极管FWD集成在单一芯片上， 采用门极驱动技术使GCT通过印刷电路版与门极驱动电路以低电感方式直接 相连，结合了晶体管和晶闸管两种器件的优点，即晶体管的稳定的关断能力 和晶闸管的低通态损耗。 • IGCT在导通期间发挥晶闸管的性能，关断阶段呈类似晶体管的特性。IGCT 具有电流大、耐压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低的特点。 此外，IGCT还像GTO一样，具有制造成本低和成品率高的特点。

　　 器件特性的改善使其开关速度得以提高，同时降低了相关损耗， 器件的开关容量也随之提高；  包含门级(或栅极、基极)驱动在内的模块化趋势在一定程度上促 进了电路设计的标准化。

　　• GCT采用了缓冲层设计，它使器件的通态和开关损耗可减少到原来的 1/2~1/2.5，但缓冲层会导致关断时不能尽快抽走器件在通态时存储的电荷；

　　• 常规的GTO采用阳极短路技术，为存储电荷的抽走提供一条通路，但阳极短

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　　路和缓冲层的结合会导致极高的触发电流和维持电流。 GTO有两个稳定工作 状态“通”和“断”，在它们之间（开断过程中）是不稳定状态。 • GCT取消阳极短路，而将阳极做成可穿透型，这样，电荷存储时间减少至 1/20，后沿拖尾电流减小为原来的1/20。同时还能在同样阻断电压条件下， 减少芯片厚度30%，使得导通压降进一步降低。 • GCT采用一种新的低电感的触发电路，在门极－20V偏置情况下，可获得 4000A/µS电流变化率，使得在大约1µS时间内，阳极电压开始上升前，将全 部阳极电流经门极流出，不通过阴极，晶闸管的PNPN四层结构暂时变为 PNP晶体管的三层结构，有了稳定的中间状态，一致性好，据称可以无缓冲

　　由于具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、速度快、使用维护简单等优点，特 别是SCR能以微小电流控制较大的功率，因此伴随着自动控制技术的发展，电力

　　金技术以缩短关断时间并控制关断增益，采用放大门极和叉指状渐开线的门-阴极结

　　构以提高GTO的灵敏度和关断能力，采用放大门极二极管分流器以降低GTO关断时 的门极阻抗，此后GTO才开始批量生产。

　　20世纪60- 70年代出现的全控型器件可简单的实现电力电子设备中的变频、逆变及斩

　　波，特别是频率提高后易于实现“最佳频率”用电，为电力电子设备的小型化、高效 化创造了条件。GTR和GTO虽具有高耐压、大电流的优点，但均属于电流型控制器 件，基极和门极的输入阻抗较小，需要消除积存的载流子，所以存在开关频率仍较低 （一般小于4KHz）等不足。同时，在大功率系统应用时，要求提供较大的驱动电流， 常因驱动电路性能不好而损坏，因而限制了它们的应用。

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　　为了使器件有较高的成品率，必须具有高纯度、均匀性好的硅片和精细的工艺技术。

　　但经过10多年的发展和努力，由于它极低的成品率和昂贵的成本，使电力电子行业 不得不另辟蹊径。于是一系列的供高电压、大电流应用的新器件开始登上竞争的舞 台。IGCT（集成门极换向晶闸管）、高压IGBT和IEGT（注入增强栅晶体管）的出 现在某种程度上解决了MCT发展停滞不前的问题。

　　20世纪80年代中期，半导体材料学及电力半导体器件制造工艺技术的发展和电力电

　　子设备的发展要求，促使第四代电力半导体器件——功率集成电路的出现； 1981年试制成功功率集成电路（PIC），它将电力半导体器件及其驱动电路、保护电 路、检测电路与外部微机和CPU连接的接口电路制造在一个封装内，经过10多年的发 展，PIC己分为高压PIC（HVPIC）和智能PIC（SPIC）两大类。 PIC实现了电力电子技术与微电子技术两大半导体分支的结合，完成了“电力电子— —微电子”的紧密结合，实现了动力信号一体化，实现了物质流与信息流的结合，将 电力电子技术推向了一个崭新的时代。

　　• 由于GCT硅片厚度减少，允许在同一GCT片上做出高效的反并联续流二极 管。GCT的门极关断峰值电流非常大，触发电路需要相当容量的MOSFET 和相当数量的电解电容及其他元件组成，电路非常复杂，要求很高，所以

　　• 1996年问世的IGCT在多个方面打破了新功率半导体器件的发展传统模式： GTO器件，从1979年的1200V/600A开始，发展到现有的6KV/6KA的水平，经历了 15年； IGBT器件在1981年以6A/600V开始，到现在已发展到额定值达到4.5 KV/2000A；

　　是由GCT（Gate Commutated turn-off Thyristor）和其门极控制电路集中成 一体化的组件。也有人称之为“发射极关断晶闸管（ETO）”，实际上是关 断增益为1的GTO，是把MOSFET从器件内部拿到外部来的MCT。IGCT是 一种用于巨型电力电子设备中的新型电力半导体器件。瑞士ABB公司和日本 三菱公司合作，把三菱制造的环形门极GTO配以外加的MOSFET实现了体外 MCT的功能，并把这种方案专利化。  GCT: GCT是在GTO基础上发展起来的新器件，它保留了GTO高电压、大 电流、低导通压降的优点，又改善了其开关性能。

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　　电力MOSFET虽然具有电压驱动、驱动功率小、速度性能好等优点，但限于制造技术 及材料水平，短时间难以制成高耐压、大电流的器件。 20世纪80年代开发出了双机理复合电力半导体器件IGBT, MCT, IGCT。它们发挥了 GTR、GTO以及电力MOSFET的共同优点，扬弃其缺点，这类器件的栅极为MOS结 构，而输出极为GTR、GTO或SCR结构。 这些器件兼有构成它的两种器件的共同优点：高耐压、低功耗、易驱动、高频率。 现在IGBT的单管容量己超过GTR的水平，IGBT的开关频率已可与MOSFET相媲美， 并己开始在电力电子设备中取代电力MSOFET、GTO和GTR。