四种典型全控型器件比较

1、典型全控型III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+?2二更接近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。22222、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

2、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（Ib0）时大电流导通；反偏（IbV0）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（Power MOSFET）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，

3、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)基本结构内部结构简化等效电路电气图形符

4、号绝缘栅双极晶体管(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

5、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10100ns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

6、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MOSFETIGBTGTRGTO电压/V1000250018006000电流/A10010004006000工作频率由高到低器件名称电力MOSFETIGBTGTRGTO开关频率3M50K30K10K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：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

7、缓。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)对基极驱动电路的要求：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。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。GTR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。在使GT

8、R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。应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能基极驱动电路：3、电力场效应晶体管(Power MOSFET)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：IGBT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。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

9、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。驱动电路中的正偏压应为1215 V，负偏压应为-2-10 V。IGBT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。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。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

10、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GTOGTRMOSIGBT结构控制方式多元集成4 层AGK 电流控制型 双极多元集成3 层GCE 电流控制型双极多元集成3 层GDS 电压控制型 单极多元集成GCE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，可驱动电路复 杂，导通压降 低，开关速度 低，可以承受驱动电路简 单，导通压降 大，开关速度 高，不可以承驱动电路 简单，导通 压降低，开 关速度较以承受大电压大电流大电压大电 流受大电压大 电流快，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

11、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(VBR33000V)/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

12、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(Power MOSFET)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

13、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-Gate Bipolar TransistorIGBT)综合了电力晶 体管(Giant TransistorGTR)和电力场效应晶体管(Power MOSFET)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 /1200V IGBT 系列产品(采用Planar NPT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