电力电子器件在工作原理上的差别

1、电力电子器件(gto、gtr、mosfet、igbt、igct、mct)在工作原理上有什么差别？分析：电力电子器件(power electronic device) 口j直接用于处理电能的主电路屮，实现电能的变换或控制的电子器件。1 门极可关断晶闸管(gate turn off thyristorgto)。品闸管的一种派生器件，可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，gto 的电压、电流容量较大，与普通品闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍冇较多的应用。a)晶闸管的双晶体管模型及其工作原理gto是由p1n1p2和n1p2n2构成的两个晶体管vi、v2分别具冇共基极电 流增益q 1和q 2。

2、al+6t2=l是器件临界导通的条件。为创+必1吋，两个等效 晶休管过饱和而使器件导通；当加+必vi时，不能维持饱和导通而关断。gto 导通过程与普通品闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。gto关断过程：强烈 正反馈门极加负脉冲即从门极抽出电流，则/b2减小，使厶和心2减小，ic2 的减小又使厶和/cl减小，又进一步减小v2的基极电流。当ia和的减小使 甸+必1时，器件退出饱和而关断。多元集成结构还使gto比普通晶闸管开通 过程快，承受di/ck能力强。2.电力晶体管(giant transistorgtr)gtr耐高电压、大电流的双极结型品体管(bipolar junction transis

3、torbjt),英文有时候也称为power bjto在电力电了技术的范围内，gtr与bjt这两个名称等效。20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代 晶闸管，但口前又大多被igbt和电力mosfet取代。丿jp1丿集电脸a)b).afl-cv“01+0爪c)gtr的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a)内部结构断面示意图b)电气图形符号0内部载流子的流动与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的，主要特性是耐压高、电流大、 开关特性好，通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，采用集 成电路工艺将许多这种单元并联而成。在应用中，gtr 一般采用共发射极接法。 集电极电流ic与基极电流

4、/b z比为0gtr的电流放大系数，反映了基极电 流对集电极电流的控制能力，当考虑到集电极和发射极间的漏电流zceo时，ic 和zb的关系为ic=/3 zb +/ceo产品说明书屮通常给直流电流增益afe在直流工作情况下集电极电流 与基极电流之比。一般可认为侏/zfe o单管gtr的0值比小功率的晶体管小 得多，通常为10左右，采用达林顿接法可冇效增大电流增益。一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，化辿速增大，出现雪崩击穿。只 要不超过限度，gtr -般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿：一次击穿发生吋/c增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴 随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或

5、者工作特性明显衰变。3.电力场效应晶体管主要指绝缘栅型中的mos型(metal oxide semiconductor fet)mosfet 0前广泛应用，按导电沟道可分为p沟道和n沟道，耗尽型 当栅极电压为零吋漏源极之间就存在导电沟道增强型对于n (p)沟道器件, 栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道电力mosfet主要是n沟道增强型。具有显著的特点：用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单,需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。热稳定性优于gtro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。gin沟道p沟道a)b)电力mosfet的结构和电气图形符号电力mosf

6、et的工作原理：截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。p基区与n漂移区之间形成的pn结j1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压1/gs栅极是绝缘的，所以不会冇栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面p 区中的空穴推开，而将p区屮的少子电子吸引到栅极下面的p区表面。当大于5 （开启电压或阈值电压）吋，栅极下p区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使p型半导体反型成n型而成为反型层，该反型层形 成n沟道而使pn结j1消失，漏极和源极导电。mosfet的开关速度：mosfet的开关速度和cin充放电冇很大关系。使用者无法降低cin,但可降低驱动电路内阻/?s减小时间常数，加快开关速 度。

7、mosfet只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速。开关时间在10100ns z间，工作频率可达100khz以上，是主耍电力电了器 件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程屮需对输入电容充放 电，仍需一定的駆动功率。开关频率越高，所需要的駆动功率越大。4. 绝缘栅双极晶体管（insulatedgate bipolar transistorigbt 或 igt）igbt是gtr和mosfet复合，结合二者的优点，具有好的特性。1986年 投入市场后，取代了 gtr和一部分mosfet的市场，中小功率电力电子设备的 主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代gt

8、o的地位。igbt的结构、简化等效电路和电气图形符号a）内部结构断面示意图b）简化等效电路c）电气图形符号n 沟道 vdmosfet 与 gtr 组合n 沟道 igbt （n-igbt） igbt 比vdmosfet多一层p+注入区，形成了一个大面积的p+n结j1。使igbt 导通时由p+注入区向n基区发射少子，从而对漂移区屯导率进行调制，使得 igbt具有很强的通流能力。简化等效电路表明，igbt是gtr与mosfet组 成的达林顿结构，一个由mosfet驱动的厚基区pnp晶体管。rn为晶体管基 区内的调制电阻。igbt的工作原理：驱动原理与电力mosfet基木相同，场控器件，通断由栅射极电

9、压上决定。导通：厶匕大于开启电压（山）时，mosfet内形成沟道，为晶体管提供基极 电流，igbt导通。导通压降：电导调制效应使电阻rn减小，使通态压降小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，mosfet内的沟道消失，品体管的基 极电流被切断，igbt关断。igbt中双极型pnp晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也 引入了少子储存现象，因而igbt的开关速度低于电力mosfeto igbt的击穿 电压、通态压降和关断吋间也是需要折衷的参数。高压器件的n基区必须有足 够宽度和较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。5. igct ( integrated gate-co

10、mmutated thyristor ),也称 gct (gate-commutated thyristor)20世纪90年代后期岀现，结合了 igbt与gto的优点，容量与gto相当, 开关速度快10倍，且可省去gto庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功 率仍很大。目前正在与igbt等新型器件激烈竞争，试图最终取代gto在大功率场合的位 置。6. mosfet 与晶闸管的复合(mos controlled thyristor- mct)mct结合了二者的优点：mosfet的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过 程。晶闸管的高电压大电流、低导通压降。一个mct器件由数以万计的mct元组 成

11、，每个元的组成为：一个pnpn晶闸管，一个控制该晶闸管开通的mosfet, 和一个控制该晶闸管关断的mosfeto mct曾-度被认为是一种最冇发展前途 的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但经过i 多 年的努力，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数 值，未能投入实际应用。概括來说：igbt优点：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态 压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点：开关速度低于 电力mosfet,电压，电流容量不及gt0gtr优点：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺点: 开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击 穿问题gt0优点：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其 通流能力很强；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，开关频率低电力mosfet优点：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率 小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题