传统的开关器件包括晶闸管（SCR）、电力晶体管（GTR），可关断晶闸管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）等。近年来，随着半导体制造技术和变流技术的发展，相继出现了绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）、场控晶闸管（MCT）等新型电力电子器件。

    电力电子器件的性能要求是大容量、高频率、易驱动和低损耗。因此，评价器件品质因素的主要标准是容量、开关速度、驱动功率、通态压降、芯片利用率。目前，各类电力电子器件所达到的功能水平是：

    普通晶闸管：12kV、lkA；4kV、3kA；

    可关断晶闸管：9kV、lkA；4.5kV、4.5kA；

    逆导晶闸管：4.5kV、lkA；

    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； 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    场效应管：1kV、38A； 本文来自www.eadianqi.com

    绝缘栅极双极型晶体管：1.2kV、400A；1.8kV、100A；

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    静电感应晶闸管（SITH）：4.5kV、2.5kA； 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    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。

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图1　电力电子器件的控制容量和开关频率的应用范围 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    开关器件分为晶闸管型和晶体管型，他们的共同特点是用正或负的信号施加与门极上（或栅极或基极）来控制器件的开与关。一般开关器件在其它教材中都有所介绍，下面主要介绍几种驱动功率小、开关速度快、应用广泛的新型器件。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    1、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT） 本文来自www.eadianqi.com

    IGBT（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）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，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。电力晶体管饱和压降低，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。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    IGBT是多元集成结构，每个IGBT元的结构如图所示，图是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。图是IGBT的电气符号。 本文来自www.eadianqi.com

    IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于电力晶体管。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低而和电力晶体管接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。

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图2　IGBT的简化等效电路图 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    IGBT的容量和GTR的容量属于一个等级，研制水平已达1000V/800A。但IGBT比CTR驱动功率小，工作频率高，预计在中等功率容量范围将逐步取代GTR。也已实现了模块化，并且已占领了电力晶体管的很大一部分市场。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    2、场控晶闸管（MCT） 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    MCT（MOS　Controlled　Thyristor）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。MCT把MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点结合起来，成为非常理想的器件。 本文来自www.eadianqi.com

    一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：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。其等效电路如图所示。图是其电气符号。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>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。因而NPN晶体管的集电极电流，即PNP晶体管基极电流减小，这又使得NPN晶体管的基极电流减小，这种正反馈使<1时MCT即关断。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    MCT阻断电压高，通态压降小，驱动功率低，开关速度快。虽然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，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可承受极高的和，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。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    3、静电感应晶体管（SIT）

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    SIT（Static　Induction　Transistor）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。在栅极不加任何信号时，SIT是导通的，栅极加负偏时关断，这种类型称为正常导通型，使用不太方便。另外，SIT通态压降大，因而通态损耗也大。

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    4、静电感应晶闸管（SITH）

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    SITH（Static　lnductionThyristor）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。和SIT相同，SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型的。SITH的许多特性和GTO类似，但其开关速度比GTO高得多（GTO的工作频率约为1—2kHz），是大容量的快速器件。

    另外，可关断晶闸管（GTO）是目前各种自关断器件中容量最大的，在关断时需要很大的反向驱动电流；电力晶体管（GTR）目前在各种自关断器件中应用最广，其容量为中等，工作频率一般在10kHz以下。电力晶体管是电流控制型器件，所需的驱动功率较大；电力MOSFET是电压控制型器件，所需驱动功率最小。在各种自关断器件中，其工作频率最高，可达100kHz以上。其缺点是通态压降大，器件容量小。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    5、开关器件的应用说明

    变流器中开关器件的开关特性决定了控制电路的功率、响应速度、频带宽度、可靠性和功率损耗等指标。由于普通晶闸管是只具备控制接通、无自关断能力的半控型器件，因此在直流回路里，如要求将它关断，需增设含电抗器和电容器或辅助晶闸管的换相回路。另外，普通晶闸管的开关频率较低，故对于开关频率要求较高的无源逆变器和斩波器，就无法胜任，必须使用开关频率较高的全控型的自关断器件。例如将电力晶体管替代普通晶闸管用在变频装置的逆变器中，其体积可减少2/3，而开关频率可提高6倍，还相应地降低了换相损耗，提高了效率。近年来，不间断电源和交流变频调速装置广泛采用电力电子自关断器件。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    可以说，以全控型的开关器件来取代线路复杂、体积庞大、功能指标较低的普通晶闸管和换相电路，这是变流技术发展的规律。由于全控型器件开关频率的提高，变流器可采用脉宽调制（PWM）型的控制，既可降低谐波和转矩脉动，又提高了快速性，还改善了功率因数。目前国外的中小容量和较大容量的变频装置已大部分采用了由自关断器件构成的PWM控制电路，大功率的电动机传动以及电力机车用PWM逆变器的功率达兆瓦级，开关频率为1～20kHz。

    在斩波器的直流——直流变换中，采用PWM技术亦有多年历史，其开关频率为20kHz～1MHz。应用场效应晶体管及谐振原理，采用软开关技术以构成直流——直流变流器，其开关损耗及电磁干扰均可显著减少，可使小功率变流器的开关频率达几兆赫，这时滤波用的电感和电容的体积显著减小，充分显示其优越性。