四种典型全控型器件比较Word文档格式.docx

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NPN型电力晶体管的内部结构与电气图形符号

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移到芯片的另一侧外表上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片外表流过，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型区外表。

当uGS大于某一电压值UGS（th）时，栅极下面的P型区外表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，假如在漏源极之间加正向电压，如此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〕根本结构

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根本一样，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展容量与频率比拟

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X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

400

工作频率由高到低

开关频率

3M

50K

30K

10K

三、对四种典型全控型器件进展驱动方式与驱动功率比拟

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

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2.5～5.0V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假如为大电感负载，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，其具体电路如下列图。

驱动比拟一览表

MOS

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

电压控制型

单极

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开展前景

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（0.5-20MVA）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组件已在地铁、某某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、电源与矿井提升机、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。

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。

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。

这些新成就为开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、高频化的方向开展。

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。

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。

开关速度低于MOSFET，电压，电流容量不与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，局部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，联合某某矽莱克电子科技某某进展市场推广，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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中国集成电路》

《现代电力电子技术根底》