ACUPS逆变器里常用的功率开关器件有哪些？

ACUPS逆变器中常用的功率开关器件主要有三种：电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）。其中GTR和MOSFET各有特点，而IGBT综合了两者的优点，目前在大中功率高频ACUPS的逆变电路中占据主导地位。

你也许见过ACUPS内部那块布满散热片的电路板，逆变器就藏在这里。逆变器的任务是把直流电（来自整流器或电池）变成交流电，给负载供电。而完成这个变换的核心，就是功率开关器件。它们像高速开关一样，每秒通断成千上万次，拼凑出正弦波。今天我们就来聊聊这三种器件各自的特点。

一、电力晶体管（GTR）

电力晶体管也叫电力双极型晶体管，是一种耐高压、能承受大电流的双极晶体管，简称为GTR。它和我们熟悉的普通三极管原理相似，但在电力电子中主要工作在开关状态（要么完全导通，要么完全截止），而不是放大状态，这样可以减小功耗。

电力晶体管的内部结构、电气符号、基本工作原理和外形

1. 结构与类型

GTR由三层半导体和两个PN结组成，有PNP和NPN两种，常用的是NPN结构。它的外形和小功率三极管类似，但体积更大，带有散热片。

目前常用的GTR分为三种：

单管电力晶体管：采用NPN三重扩散台面型结构，可靠性高，耐压能力强，散热性好。

达林顿电力晶体管：由两个或多个晶体管复合而成，电流放大倍数可以达到几十至几千倍。但缺点是饱和管压降增大，导通损耗增加，工作速度降低，而且热稳定性较差。为了解决热稳定性问题，大功率达林顿管内部会加装均衡电阻，并在末级三极管集电极与发射极之间反向并联一只阻尼二极管，防止负载断电时击穿。

达林顿电力晶体管

电力晶体管模块：将多个管芯和改善性能的元件组装成一个单元，再集成在同一硅片上，大大提高了集成度、可靠性和性价比，实现了小型轻量化。

2. 主要特性

GTR工作在开关状态，即截止区或饱和区。但在开关过程中，会短暂经过放大区。它的开关时间通常在几微秒内，比晶闸管快得多。

GTR有一个需要特别注意的问题：二次击穿。当集电极电压升高至击穿电压时，会发生雪崩击穿（一次击穿），此时如果电流不大，一般不会损坏。但若电流增大到某个临界点，会突然急剧上升，同时电压陡然下降，这就是二次击穿。二次击穿常常立即导致器件永久损坏，危害极大。

二、功率场效应晶体管（MOSFET）

功率场效应晶体管也叫功率MOSFET，是一种单极型的电压控制器件。它用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率很小，开关速度快，工作频率高。

1. 结构与类型

功率MOSFET有P沟道和N沟道，还分耗尽型和增强型。电力电子装置中主要使用N沟道增强型。它有三个端子：漏极D、源极S、栅极G。当栅极和源极之间电压UGS为0时，管子截止；当UGS大于开启电压UT时，管子开通，UGS越大，导电能力越强。

还有一种结型功率场效应晶体管，叫做静电感应晶体管（SIT），它具有自关断能力，开关速度快，无二次击穿，但电流容量小、耐压低，只适用于功率不超过10kW的装置。由于易于驱动且开关频率可高达500kHz，特别适合高频场合，如DC/DC变换、开关电源。

功率MOSFET的内部结构、电气符号和外观

2. 主要特性

输出特性：以栅源电压UGS为参变量，反映漏极电流ID与漏源电压UDS的关系。分为三个区：可调电阻区（开关状态工作于此）、饱和区（线性放大用）、雪崩区（电压过高导致击穿，应避免）。

功率MOSFET无反向阻断能力——当漏源电压为负时，漏极PN结正偏，会流过反向电流。因此，如果电路中需要承受反向电压，必须串联快速二极管。

功率MOSFET的输出特性

转移特性：在一定的UDS下，ID与UGS的关系曲线。只有当UGS大于开启电压UGS(th)时，MOSFET才导通。功率MOSFET具有负温度系数，这意味着温度升高时电流会自动减小，因此热稳定性好，不会出现二次击穿现象，这是它优于GTR的重要特点。

功率MOSFET的转移特性

开关特性：功率MOSFET是近似理想的开关，开关速度极快，通常开关时间仅为10～100纳秒（10^-8秒量级），而双极型器件（如GTR）的开关时间以微秒计，相差几十甚至几百倍。

三、绝缘栅双极晶体管（IGBT）

IGBT全称绝缘栅双极晶体管，它综合了MOSFET和GTR的优点：像MOSFET一样具有高输入阻抗、驱动功率小，又像GTR一样具有低导通压降、能承受大电流。目前，IGBT在大、中功率的高频机型ACUPS的逆变电路中占据主导地位。

总结：三种器件的比较

GTR：双极型、电流控制，开关速度较快（微秒级），但存在二次击穿风险，热稳定性较差。早期ACUPS中常用，现在已较少用于逆变器。

MOSFET：单极型、电压控制，开关速度极快（纳秒级），无二次击穿，热稳定性好，但耐压和电流容量相对较小，适合小功率、高频场合。

IGBT：复合型、电压控制，结合了MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降，开关速度介于两者之间，但能承受高电压大电流，是目前中大功率ACUPS逆变器的首选。