四種典型全控型器件比較

1、四種典型全控型 器件的比較四種典型全控型器件的比較、對四種典型全控型器件的介紹1、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）1）GTO的結(jié)構(gòu)與工作原理芯片的實際圖形GTO結(jié)構(gòu)的縱斷面GTO結(jié)構(gòu)的縱斷面A屛K圖形符號GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號2）工作原理：設(shè)計：較大，使晶體管V2控制靈敏。導(dǎo)通時 + ： 2= 1.05更接近1,導(dǎo)通時接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。多元集 成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。下圖為工作原理圖2222Ia|lc1PNPV1 G Ig s=EgJ lc2/NPN k/2* IkREab)2、電力晶體管（GTR）1）電力晶體管的結(jié)構(gòu):N漂移

2、區(qū)N+襯底基極b城射極c基極b集電極瞪內(nèi)部結(jié)構(gòu)P.甚區(qū)c電氣圖形符號NPN型電力晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電氣圖形符號2） 工作原理：在電力電子技術(shù)中，GTR主要工作在開關(guān)狀態(tài)。晶體管通常連接成共發(fā)射極 電路，GTR通常工作在正偏（lb 0）時大電流導(dǎo)通；反偏（Ibv 0）時處于截止狀態(tài) 因此，給GTR的基吸施加幅度足夠大的脈沖驅(qū)動信號，它將工作于導(dǎo)通和截止的 開關(guān)狀態(tài)。3、電力場效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）1）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)oD11V列十謠道PN-N +/adSN溝道P溝道圖形符號MOSFET元組成剖面圖電力MOSFET采取兩次擴散工藝，并將漏極 D移到芯片的另一側(cè)表面上，使 從漏

3、極到源極的電流垂直于芯片表面流過， 這樣有利于減小芯片面積和提高電流密 度。2)電力MOSFET的工作原理：當漏極接電源正極，源極接電源負極，柵源極之間電壓為零或為負時，P型區(qū)和N-型漂移區(qū)之間的PN結(jié)反向，漏源極之間無電流流過。如果在柵極和源極間加 正向電壓UGS由于柵極是絕緣的，不會有電流。但柵極的正電壓所形成的電場的 感應(yīng)作用卻會將其下面的P型區(qū)中的少數(shù)載流子電子吸引到柵極下面的P型區(qū)表面。當uGS大于某一電壓值UGS(th)時，柵極下面的P型區(qū)表面的電子濃度將超過 空穴濃度，使P型反型成N型，溝通了漏極和源極。此時，若在漏源極之間加正向電壓，則電子將從源極橫向穿過溝道，然后垂直 (即縱

4、向)流向漏極，形成漏極電 流id電壓UGS(th)稱為開啟電壓，uGS超過UGS(th)越多，導(dǎo)電能力就越強，漏 極電流i D也越大。4、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)1)基本結(jié)構(gòu)oC內(nèi)部結(jié)構(gòu)Jh簡化等效電路電氣圖形符號2)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的工作原理：其開通和關(guān)斷IGBT的驅(qū)動原理與電力 MOSFET基本相同，它是一種壓控型器件 是由柵極和發(fā)射極間的電壓uGE決定的，當uGE為正且大于開啟電壓uGE(th)時, MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流使其導(dǎo)通。當柵極與發(fā)射極之間 加反向電壓或不加電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管無基極電流，IGBT關(guān) 斷。PNP晶體管與

5、N溝道MOSFET組合而成的IGBT稱為N溝道IGBT，記為N-IGBT。對應(yīng)的還有P溝道IGBT，記為P-IGBT。N-IGBT和P-IGBT統(tǒng)稱為IGBT。由于實際應(yīng)用中以N溝道IGBT為多二、對四種典型全控型器件進行容量及頻率比較GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。目前，GTO勺容量水平達6000A/6000V、1000A/9000V，頻率為1kHZGTR是一種電流控制的雙極雙結(jié)大功率、高反壓電力電子器件，具有自關(guān)斷能力，其額定值已達 1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。電力場

6、效應(yīng)晶體管電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。開關(guān)時間在10100ns之間，工作頻率可達 100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。IGBT屬于具有功率 MOSFET的高速性能與雙極的低電阻性能的功率器 件。它的應(yīng)用范圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區(qū)域。功率一覽器件名稱電力MOSFETIGBTGTRGTO電壓/V1000250018006000電流/A10010004006000工作頻率由高到低器件名稱電力MOSFETIGBTGTRGTO開關(guān)頻率3M50K30K10K三、對四種典型全控型器件進行驅(qū)動方式及驅(qū)動功率比較1、門極可

7、關(guān)斷晶閘管（GTO）對門極驅(qū)動電路的要求：1 ）正向觸發(fā)電流iG由于GTO是多元集成結(jié)構(gòu)，為了使內(nèi)部并聯(lián)的 GTC元開 通一致性好，故要求GTCn極正向驅(qū)動電流的前沿必須有足夠的幅度和陡度， 正脈 沖的后沿陡度應(yīng)平緩。2）反向關(guān)斷電流-i G為了縮短關(guān)斷時間與減少關(guān)斷損耗，要求關(guān)斷門極電 流前沿盡可能陡，而且持續(xù)時間要超過GTO勺尾部時間。還要求關(guān)斷門極電流脈沖 的后沿陡度應(yīng)盡量小。GTC的驅(qū)動電路：小容量GTO門極驅(qū)動電路+ 2、電力晶體管（GTR）1）對基極驅(qū)動電路的要求： 由于GTR主電路電壓較高，控制電路電壓較低，所以應(yīng)實現(xiàn)主電路與控制電 路間的電隔離。 在使GTR導(dǎo)通時，基極正向驅(qū)動

8、電流應(yīng)有足夠陡的前沿， 并有一定幅度的強 制電流，以加速開通過程，減小開通損耗。 GTF導(dǎo)通期間，在任何負載下，基極電流都應(yīng)使 GTF處在臨界飽和狀態(tài)，這 樣既可降低導(dǎo)通飽和壓降，又可縮短關(guān)斷時間。 在使GTR關(guān)斷時，應(yīng)向基極提供足夠大的反向基極電流，以加快關(guān)斷速度，減小關(guān)斷損耗。 應(yīng)有較強的抗干擾能力，并有一定的保護功能2）基極驅(qū)動電路：3、電力場效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）電力MOSFE是一種壓控型器件，圖為其驅(qū)動:4、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）1）對驅(qū)動電路的要求： IGBT是電壓驅(qū)動的，具有2.55.0 V的閾值電壓，有一個容性輸入阻抗， 因此IGBT對柵極電荷非常敏感，故

9、驅(qū)動電路必須很可靠，保證有一條低阻抗值的 放電回路，即驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。 用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電， 以保證柵極控制電壓uGE有足夠陡 的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開通后，柵極驅(qū)動源應(yīng)能提 供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。 驅(qū)動電路中的正偏壓應(yīng)為1215 V，負偏壓應(yīng)為2-0 V。 IGBT多用于高壓場合，故驅(qū)動電路應(yīng)與整個控制電路在電位上嚴格隔離。 驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實用，具有對IGBT的自保護功能，并有較強的抗干 擾能力。 若為大電感負載，IGBT的關(guān)斷時間不宜過短，以限制 di/dt所形成的尖峰 電壓，保證IGBT的安全。驅(qū)動電

10、路：在用于驅(qū)動電動機的逆變器電路中，為使 IGBT能夠穩(wěn)定工作，要求IGBT的 驅(qū)動電路采用正負偏壓雙電源的工作方式。為了使驅(qū)動電路與信號電隔離，應(yīng)采用抗噪聲能力強，信號傳輸時間短的光耦合器件?；鶚O和發(fā)射極的引線應(yīng)盡量短，基 極驅(qū)動電路的輸入線應(yīng)為絞合線，其具體電路如圖所示。6EQC驅(qū)動比較一覽表GTOGTRMOSIGBT結(jié)構(gòu)多兀集成 4層多元集成3層多元集成3層多元集成GCEAGKGCEGDS控制方式電流控制型電流控制型電壓控制型電壓控制型雙極雙極單極復(fù)合型特點驅(qū)動電路復(fù)雜，驅(qū)動電路復(fù)雜，導(dǎo)驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動電路簡單，導(dǎo)通壓降低，開通壓降低，開關(guān)速導(dǎo)通壓降大，開導(dǎo)通壓降低，開關(guān)速度低，可以度

11、低，可以承受大關(guān)速度咼，不可關(guān)速度較快，可承受大電壓大電電壓大電流以承受大電壓大以承受大電壓流電流大電流缺點最大陽極電流二次擊穿靜電擊穿擎住效應(yīng)保護緩沖電路過壓保護靜電保護過流保護四、分析四種典型全控型器件存在的問題并討論其發(fā)展前景1、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)GTO采用了大直徑均勻結(jié)技術(shù)和全壓接式結(jié)構(gòu)，通過少子壽命控制技術(shù)折衷 了 GTO導(dǎo)通電壓與關(guān)斷損耗兩者之間的矛盾。GTO在高壓(VBR33000V)/大功率 (0.5-20MVA)牽引、工業(yè)和電力逆變器中是應(yīng)用的最為普遍的功率半導(dǎo)體器件。裝 有ABB元件的GTO組件已在北京地鐵、天津地鐵等城市軌道交通車輛上使用， 在 歐洲廣泛用于鐵路、

12、交通、牽引、電源及礦井提升機、斬波電源等領(lǐng)域。缺點：電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時門極負脈沖電流大，開關(guān)速度低， 驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低。2、電力晶體管(GTR)GTR的缺點是驅(qū)動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。在開關(guān)電源和UPS內(nèi)，GTR正逐步被功率 MOSFET和IGBT 所代替。GTR既具備晶體管飽和壓降低、開關(guān)時間短和安全工作區(qū)寬等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、開關(guān)損耗小、開關(guān)時間短，在電源、電機控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應(yīng)用廣泛。3、電力場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)80年代初期出現(xiàn)的MOS功率場效應(yīng)

13、晶體管和功率集成電路的工作頻率達到兆赫級。集成電路的技術(shù)促進了器件的小型化和功能化。這些新成就為發(fā)展高頻電力電子技術(shù)提供了條件，推動電力電子裝置朝著智能化、高頻化的方向發(fā)展。缺點：電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力 電子裝置。4、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)絕緣柵雙極晶體管(Insulate-Gate Bipolar Transistor IGBT )綜合了電力晶體 管(Gia nt Tran sistoGTR)和電力場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)的優(yōu)點，具 有良好的特性，應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛。缺 點：開關(guān)速度低于MOSFET，電壓，電 流容量不及GTO。2010年，中國科學院微電子研究所成功研制國內(nèi)首款可產(chǎn)業(yè)化IGBT芯片，由中國科學院微電子研究所設(shè)計研發(fā)的15-43A /1200V IGBT系列產(chǎn)品(采用Planar NPT器件結(jié)構(gòu))在華潤微電子工藝平臺上流片成功，各項參數(shù)均達 到設(shè)計要求，部分性能優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。這是我國國內(nèi)首款自主研制可產(chǎn) 業(yè)化的IGBT (絕緣柵雙極晶體管)產(chǎn)品，標志著我國全國產(chǎn)化IG