全控型器件的詳細介紹

1、典型全控型器件的介紹班級學號:姓 名日 期已達到3000A、4500V的容量。大功率可關(guān)斷晶閘管已廣泛用于斬波調(diào)速、變頻調(diào)速、逆變電源等領(lǐng)域，顯示出強大的生命力。1.2門極可關(guān)斷晶閘GTO是PNPN四層半導體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極， 率集成器件，內(nèi)部由許多的GTO珂門極，0是多元件的功LT凡夕冬丁異口元的陽極和門極并聯(lián)在一起。其工作原理可用雙.門極可關(guān)斷晶閘管1.1門極可關(guān)斷晶閘管的簡介門極可關(guān)斷品閘管簡稱GTO,是一種全控型的品閘管。其主要特點為，當柵極 加負向觸發(fā)信號時品閘管能自行關(guān)斷，保留了普通品閘管耐壓高、電流大等優(yōu)點， 以具有自關(guān)斷能力，使用方便，是理想的高壓、大電流開關(guān)器件。GTO的容

2、量及 使用壽命均超過巨型品體管（GTR），只是工作頻紡比GTR低。目前，GTO品體管來分析P1N1P1和N1P2N2構(gòu)成的兩個品體管V1,V2分別具有共基極電流增 益a 1和a 2,普通的晶體管分析，a 1+a 2=1是器件的臨界導電條件，當a 1+a 21時2，當a 1+a 21時不能維持飽和導通而關(guān)斷。1.3 GTO的驅(qū)動方式及頻率當信號要求可關(guān)斷品閘管導通時，驅(qū)動電路提供上升率足夠大的正柵極脈沖電 流（其幅度視品閘管容量不同在0.1到幾安培范圍內(nèi)），其正柵極脈沖寬度應(yīng)保證 門極關(guān)斷品閘管可靠導通。當信號要求門極關(guān)斷品閘管關(guān)斷時，驅(qū)動電路提供上 升率足夠大的負柵極脈沖電流，脈沖幅度要求大于

3、可關(guān)斷品閘管陽極電流的五分之 一，脈沖寬度應(yīng)大于可關(guān)斷品閘管的關(guān)斷時間和尾部時間。根據(jù)對驅(qū)動門極關(guān)斷品閘管的特性、容量、應(yīng)用場合、電路電壓、工作頻率、 可靠性要求和性價比等方面的不同要求，有多種形式的柵極驅(qū)動電路。1.4存在的問題及其最新的發(fā)展GTO在使用中，導通時的管壓降較大，增加了通態(tài)損耗。對關(guān)斷負脈沖的要 求較高，門極觸發(fā)電路需要嚴格設(shè)計，否則易在關(guān)斷過程中燒毀管子。門極電流 應(yīng)大于元件的擎住電流IL;正負觸發(fā)脈沖其前沿要陡，后沿要平緩，中小功率電路 上升沿小于0.5p s，大功率電路小于川s ；門極電路電阻要小，以減小脈沖源 內(nèi)阻由于多元集成，對制造工藝提出極高的要求，它要求必須保持所

4、有GTO元特性 一致，開通或關(guān)斷速度不一致，會使GTO元因電流過大而損壞。GTO主要用于高電壓，大功率的的斬波電路及逆變器等電路中，例如恒壓恒 頻電源，常用的不停電電源等，另一類GTO的典型應(yīng)用是調(diào)頻調(diào)壓電源，這種電源 多用于風機，水汞等交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中。由于其耐壓高，電流大，開關(guān)速度快， 控制電路簡單方便，因此還特別適用于汽油及點火系統(tǒng)。GTO的容量及使用壽命均超過巨型品體管（GTR），只是工作頻紡比GTR 低。目前，GTO已達到3000A、4500V的容量。大功率可關(guān)斷品閘管已廣泛 用于斬波調(diào)速、變頻調(diào)速、逆變電源等領(lǐng)域，顯示出強大的生命力。二.電力晶體管2.1電力晶體管的結(jié)構(gòu)接原理電力

5、品體管是一種耐高壓，大電流的雙極結(jié)型品體管，簡稱為GTR。GTR通 常采用至少由兩個晶體管按達靈頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)，采用集成電路這種單元并 聯(lián)而成。GTR由三層半導體分別引出集電極，基極和發(fā)射極形成的兩個PN節(jié)（集 電極和發(fā)射極）構(gòu)成。2.2電力晶體管的開關(guān)段時間及過程開通過程：施加正脈沖電，開通時間為ton : td + tr。加快開通過程的辦法： td主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。增大ib的幅值并增大 dib/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程。關(guān)斷過程：施加負脈沖電流。關(guān)斷時間toff : ts+t，加快關(guān)斷速度的辦法： 減小導通時的飽和深度

6、以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負電流Ib2的幅值 和負偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度。負面作用是會使集電極和發(fā)射極 間的飽和導通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗。GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比品閘管和GTO都短很多。ts是用來除去 飽和導通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。2.3電力晶體管的頻率及容量GTR是一種電流控制的雙極雙結(jié)電力電子器件,產(chǎn)生于本世紀70年代，其額定值已 達 1800V/800A/2KHz、1400V/600A/5KHz、600V/3A/100KHz。它既具備晶體管 的固有特性,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、

7、 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。2.4電力晶體管的優(yōu)缺點能承受上千伏電壓，具有大的電流密度和低的通態(tài)壓降，在20世紀七八十年 代成為逆交器、變頻器等電力電子裝置的主導功率開關(guān)器件，開關(guān)頻率可達5kHz。 但是GTR存在許多不足:對驅(qū)動電流波形有一定要求，驅(qū)動電路較復(fù)雜；存在 局部熱點引起的二次擊穿現(xiàn)象，安全工作區(qū)（SOA）小；通態(tài)損耗和關(guān)斷時存儲時 間（匕）存在矛盾，要前者小必須工作于深飽和，而如深飽和，匕便長，既影響開關(guān) 頻率，又增加關(guān)斷損耗大；承受dv / dt及di /力能力低;單管電流放大倍數(shù)小， 為增加放大倍數(shù)，聯(lián)成達林頓電路又使管壓

8、降增加等等，而為改善性能（抑制dv / dt 及di/dt，改變感性負載時的動態(tài)負載線使在SOA內(nèi)，減小動態(tài)損耗），運用時必須 加緩沖電路。2.5電力晶體管的發(fā)展前景它既具備晶體管的固有特性，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。在開關(guān)電源和UPS內(nèi),下 正逐步被功率MOSFET和 GBT所代替。三電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管又簡稱電力MOSFET，是一種電壓控制型單極品體管,用柵極 電壓來控制漏極電流驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開關(guān)速度快，工作頻率高。 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流

9、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。電力MOSFET是通過柵極電壓來控制漏極電流的，因而它的一個顯著特點是驅(qū) 動電路簡單、驅(qū)動功率小 僅由多數(shù)載流子導電，無少子存儲效應(yīng)，高頻特性好，工作 頻率高達100KHz以上，為所有電力電子器件中頻率之最，因而最適合應(yīng)用于開關(guān) 電源、高頻感應(yīng)加熱等高頻場合沒有二次擊穿問題，安全工作區(qū)廣,耐破壞性強。功 率MOSFET下的缺點是電流容量小、耐壓低、通態(tài)壓降大，不適宜運用于大功率 裝置。目前制造水平大概是1KV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。值)測誡電踞開類過程琶形圖3Power MO6FKT肘動態(tài)特性開通過程:從up

10、前沿時刻到uGS=UT ,且開始出現(xiàn)iD的時刻，這段時間稱為開 通延時時間td(on)。此后，iD隨uGS的上升而上升，uGS從開啟電壓UT上升到Power MOSFET臨近飽和區(qū)的柵極電壓uGSp這段時間，稱為上升時間tr。這樣Power MOSFET的開通時間問為:ton=td(on)+tr關(guān)斷過程：當up信號電壓下降到0時，柵極輸入電容上儲存的電荷通過電阻 RS和Rg放電，使柵極電壓按指數(shù)曲線下降，當下降到uGSP繼續(xù)下降，iD才開始 減小，這段時間稱為關(guān)斷延時時間td(off)。此后，輸入電容繼續(xù)放電，uGS繼續(xù)下 降，iD也繼續(xù)下降，到uGSt時導電溝道消失，iD=0，這段時間稱為下

11、 降時間tf。這樣Power MOSFET的關(guān)斷時間功率MOSFET的缺點是電流容量小、耐壓低、通態(tài)壓降大，不適宜運用于大 功率裝置。順便強調(diào)一下，由于MOSFET管內(nèi)阻與電壓成比例，它在要求低壓 (3 . 31V)電源的電腦和通信等領(lǐng)域則可大顯身手，目前MOSFET的導通電阻可 減小至610m，主要用于高頻開關(guān)電源的同步電流。四絕緣柵型晶體管ill!絕緣柵雙極品體管是一種復(fù)合型器件，綜合了少子器件(G T O、G T R)和多子 器件(MOSFET)各自的優(yōu)良特性，既有輸入阻抗高，開關(guān)速度快，驅(qū)動電路簡單的 優(yōu)點，又有輸出電流密度大，通態(tài)壓降下，電壓耐量高的處。IGBT可視為雙極型大功率晶體

12、管與功率場效應(yīng)晶體管的復(fù)合。通過施加正向 門極電壓形成溝道、提供晶體管基極電流使IGBT導通；反之，若提供反向門極電 壓則可消除溝道、使IGBT因流過反向門極電流而關(guān)斷。IGBT集GTR通態(tài)壓降小、 載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱 穩(wěn)定性好的優(yōu)點于一身，因此備受人們青睞。它的研制成功為提高電力電子裝置的 性能，特別是為逆變器的小型化、高效化、低噪化提供了有利條件。比較而言，IGBT的開關(guān)速度低于功率MOSFET，卻明顯高于GTR； IGBT 的通態(tài)壓降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；IGBT的電流、電壓等級與 GTR接近，而比功率MOSFET高。由于IGBT具有上述特點接近，而比功率MOSFET 高。由于IGBT具有上述特點，在中等功率容量(600V以上)的UPS、開關(guān)電源及交 流電機控制用PWM逆變器中IGBT逐步替代GTR成為核心元件。IGBT早已做到 1800V/800 A，10kHz;1200