四种典型全控型器件比较.docx
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四种典型全控型器件比较
四种典型全控型器件的比较
四种典型全控型器件的比较
一、对四种典型全控型器件的介绍
1、门极可关断晶闸管（GTO）
1）GTO的结构与工作原理
芯片的实际图形GTO结构的纵断面GTO结构的纵断面图形符号
GTO的内部结构和电气图形符号
2）工作原理：
设计2较大，使晶体管V2控制灵敏。
导通时1+2=更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。
多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。
下图为工作原理图。
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2、电力晶体管（GTR）
1）电力晶体管的结构：
内部结构电气图形符号
NPN型电力晶体管的内部结构及电气图形符号
2）工作原理：
在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。
晶体管通常连接成共发射极电路，GTR通常工作在正偏（Ib＞0）时大电流导通；反偏（Ib＜0）时处于截止状态。
因此，给GTR的基吸施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。
3、电力场效应晶体管（PowerMOSFET）
1）电力MOSFET的结构
MOSFET元组成剖面图图形符号
电力MOSFET采取两次扩散工艺，并将漏极D移到芯片的另一侧表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和提高电流密度。
2）电力MOSFET的工作原理：
当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源极之间电压为零或为负时，P型区和N-型漂移区之间的PN结反向，漏源极之间无电流流过。
如果在栅极和源极间加正向电压UGS，由于栅极是绝缘的，不会有电流。
但栅极的正电压所形成的电场的感应作用却会将其下面的P型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P型区表面。
当uGS大于某一电压值UGS（th）时，栅极下面的P型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型反型成N型，沟通了漏极和源极。
此时，若在漏源极之间加正向电压，则电子将从源极横向穿过沟道，然后垂直（即纵向）流向漏极，形成漏极电流iD。
电压UGS（th）称为开启电压，uGS超过UGS（th）越多，导电能力就越强，漏极电流iD也越大。
4、绝缘栅双极晶体管（IGBT）
1）基本结构
内部结构简化等效电路电气图形符号
2）绝缘栅双极晶体管（IGBT）的工作原理：
IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是一种压控型器件。
其开通和关断是由栅极和发射极间的电压uGE决定的，当uGE为正且大于开启电压uGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导通。
当栅极与发射极之间加反向电压或不加电压时，MOSFET内的沟道消失，晶体管无基极电流，IGBT关断。
PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT。
对应的还有P沟道IGBT，记为P-IGBT。
N-IGBT和P-IGBT统称为IGBT。
由于实际应用中以N沟道IGBT为多。
二、对四种典型全控型器件进行容量及频率比较
GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。
目前，GTO的容量水平达6000A/6000V、1000A/9000V，频率为1kHZ。
GTR是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。
电力场效应晶体管电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。
IGBT属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。
它的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。
功率一览
器件名称
电力MOSFET
IGBT
GTR
GTO
电压/V
1000
2500
1800
6000
电流/A
100
1000
400
6000
工作频率由高到低
器件名称
电力MOSFET
IGBT
GTR
GTO
开关频率
3M
50K
30K
10K
三、对四种典型全控型器件进行驱动方式及驱动功率比较
1、门极可关断晶闸管（GTO）
对门极驱动电路的要求：
1）正向触发电流iG。
由于GTO是多元集成结构，为了使内部并联的GTO元开通一致性好，故要求GTO门极正向驱动电流的前沿必须有足够的幅度和陡度，正脉冲的后沿陡度应平缓。
2）反向关断电流﹣iG。
为了缩短关断时间与减少关断损耗，要求关断门极电流前沿尽可能陡，而且持续时间要超过GTO的尾部时间。
还要求关断门极电流脉冲的后沿陡度应尽量小。
GTO的驱动电路：
小容量GTO门极驱动电路较大容量GTO桥式门极驱动电路
2、电力晶体管（GTR）
1）对基极驱动电路的要求：
①由于GTR主电路电压较高，控制电路电压较低，所以应实现主电路与控制电路间的电隔离。
②在使GTR导通时，基极正向驱动电流应有足够陡的前沿，并有一定幅度的强制电流，以加速开通过程，减小开通损耗。
③GTR导通期间，在任何负载下，基极电流都应使GTR处在临界饱和状态，这样既可降低导通饱和压降，又可缩短关断时间。
④在使GTR关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流，以加快关断速度，减小关断损耗。
⑤应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能
2）基极驱动电路：
3、电力场效应晶体管（PowerMOSFET）
电力MOSFET是一种压控型器件，图为其驱动：
电力MOSFET的一种驱动电路
4、绝缘栅双极晶体管（IGBT）
1）对驱动电路的要求：
①IGBT是电压驱动的，具有～V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷非常敏感，故驱动电路必须很可靠，保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。
②用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压uGE有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。
另外，IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率，使IGBT不退出饱和而损坏。
③驱动电路中的正偏压应为12～15V，负偏压应为–2～–10V。
④IGBT多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。
⑤驱动电路应尽可能简单实用，具有对IGBT的自保护功能，并有较强的抗干扰能力。
⑥若为大电感负载，IGBT的关断时间不宜过短，以限制di／dt所形成的尖峰电压，保证IGBT的安全。
驱动电路：
在用于驱动电动机的逆变器电路中，为使IGBT能够稳定工作，要求IGBT的驱动电路采用正负偏压双电源的工作方式。
为了使驱动电路与信号电隔离，应采用抗噪声能力强，信号传输时间短的光耦合器件。
基极和发射极的引线应尽量短，基极驱动电路的输入线应为绞合线，其具体电路如图所示。
驱动比较一览表
GTO
GTR
MOS
IGBT
结构
多元集成4层AGK
多元集成3层GCE
多元集成3层GDS
多元集成GCE
控制方式
电流控制型
双极
电流控制型
双极
电压控制型
单极
电压控制型
复合型
特点
驱动电路复杂，导通压降低，开关速度低，可以承受大电压大电流
驱动电路复杂，导通压降低，开关速度低，可以承受大电压大电流
驱动电路简单，导通压降大，开关速度高，不可以承受大电压大电流
驱动电路简单，导通压降低，开关速度较快，可以承受大电压大电流
缺点
最大阳极电流
二次击穿
静电击穿
擎住效应
保护
缓冲电路
过压保护
静电保护
过流保护
四、分析四种典型全控型器件存在的问题并讨论其发展前景
1、门极可关断晶闸管（GTO）
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。
GTO在高压（VBR>33000V）/大功率牵引、工业和电力逆变器中是应用的最为普遍的功率半导体器件。
装有ABB元件的GTO组件已在北京地铁、天津地铁等城市轨道交通车辆上使用，在欧洲广泛用于铁路、交通、牵引、电源及矿井提升机、斩波电源等领域。
缺点：
电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低。
2、电力晶体管（GTR）
GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。
在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。
GTR既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。
3、电力场效应晶体管（PowerMOSFET）
80年代初期出现的 MOS功率场效应晶体管和功率集成电路的工作频率达到兆赫级。
集成电路的技术促进了器件的小型化和功能化。
这些新成就为发展高频电力电子技术提供了条件，推动电力电子装置朝着智能化、高频化的方向发展。
缺点：
电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
4、绝缘栅双极晶体管（IGBT）
绝缘栅双极晶体管（Insulate-GateBipolarTransistor—IGBT）综合了电力晶体管（GiantTransistor—GTR）和电力场效应晶体管（PowerMOSFET）的优点，具有良好的特性，应用领域很广泛。
缺点：
开关速度低于MOSFET，电压，电流容量不及GTO。
2010年，中国科学院微电子研究所成功研制国内首款可产业化IGBT芯片，由中国科学院微电子研究所设计研发的15-43A/1200VIGBT系列产品（采用PlanarNPT器件结构）在华润微电子工艺平台上流片成功，各项参数均达到设计要求，部分性能优于国外同类产品。
这是我国国内首款自主研制可产业化的IGBT（绝缘栅双极晶体管）产品，标志着我国全国产化IGBT芯片产业化进程取得了重大突破，拥有了第一条专业的完整通过客户产品设计验证的IGBT工艺线。
该科研成果主要面向家用电器应用领域，联合江苏矽莱克电子科技有限公司进行市场推广，目前正由国内著名的家电企业用户试用，微电子所和华润微电子将联合进一步推动国产自主IGBT产品的大批量生产。
参考文献：
《中国学术期刊电子杂志》
《中国电力百科全书》
《电工技术》
《电力电子交流技术》
《
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