四种典型全控型器
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=1.05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。
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2、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(I b＞0)时大电流导通；反偏(I b＜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(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，漏源极之间无电流流过。如果在栅极和源极间加正向电压U GS，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u GS 大于某一电压值U GS(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i D。电压U GS(th)称为开启电压，u GS超过U GS(th)越多，导电能力就越强，漏极电流i D也越大。
4、绝缘栅双极晶体管(IGBT)
1）基本结构
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u GE决定的，当u GE为正且大于开启电压u GE(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。
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：
1）正向触发电流i G。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﹣i G。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)
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(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：
①IGBT是电压驱动的，具有2.5～5.0 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。
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u GE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12～15 V，负偏压应为–2～–10 V。
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若为大电感负载，IGBT的关断时间不宜过短，以限制d i／d t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，其具体电路如图所示。
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(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 Transistor—IGBT）综合了电力晶体管（Giant Transistor—GTR）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）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，联合江苏矽莱克电子科技有限公司进行市场推广，目前正由国内着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》
《中国集成电路》
《现代电力电子技术基础》
典型全控型器件 利用控制信号可控制开通与关断的器件称为全控型器件，通常也称为自关断器件。全控型器件通常分为电流控制型与电压控制型两类。电流控制型器件从控制极注入或抽取电流信号来控制器件的开通或关断，如可关断晶闹管(GTO)、大功率晶体管(GTR)等。这类器件的主要特点是控制功率较大、控制电路复杂、工作频率较低。电压控制型器件通过在控制极建立电场——提供电压信号来控制器件的开通与关断，如功率场效应臀(简称功率MosFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。与电流控制型器件相比，这类器件的主要特点是控制功率小、控制电路简单、工作频率较高。 20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。典型代表是（1）门极可关断晶闸管，（2）电力晶体管，（3）电力场效应晶体管（4）绝缘栅双极晶体管。 一. 可关断晶闸管 1 .特点： (1) 晶闸管的一种派生器件.(2)可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 (3)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。 2．可关断晶闸管的结构与工作原理 与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件栅的结构示意图、等效电路、电气符号如图1所示。与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。由P1N1P2和 图1 GT()的结构示意图、等效电路与电气符号)工作原理：
图2 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和 2 。1+ 2=1是器件临界导通的条件。 3. GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别： a) 设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。b) 导通时1+ 2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。c) 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。 4. 由上述分析我们可以得到以下结论： a) GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。b) GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断c) 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 5．主要参数 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。 a）开通时间ton :延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1~2 s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大 b)关断时间toff:一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于 2 s。不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联。 c) 最大可关断阳极电流IATO:---GTO额定电流。 d)电流关断增益off): —最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。off)一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 二．电力晶体管 1. GTR的结构和工作原理 图3 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c) 内部载流子的流 GTR的主要特点是：a)与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。b)主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。c)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。d)采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。e)在应用中，GTR一般采用共发射极接法。
四种典型全控型器 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=1.05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。 2222 2、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(I b＞0)时大电流导通；反偏(I b＜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(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，漏源极之间无电流流过。如果在栅极和源极间加正向电压U GS，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u GS 大于某一电压值U GS(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i D。电压U GS(th)称为开启电压，u GS超过U GS(th)越多，导电能力就越强，漏极电流i D也越大。 4、绝缘栅双极晶体管(IGBT) 1）基本结构 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u GE决定的，当u GE为正且大于开启电压u GE(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。
典型全控型器件的介绍班级学号 : 姓名 日期
一．门极可关断晶闸管 1.1门极可关断晶闸管的简介 门极可关断晶闸管简称GTO,是一种全控型的晶闸管。其主要特点为，当栅极加负向触发信号时晶闸管能自行关断，保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。GTO的容量及使用寿命均超过巨型晶体管（GTR），只是工作频纺比GTR低。目前，GTO 已达到3000A、4500V的容量。大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。 1.2门极可关断晶闸管的结构和工作原理 GTO是PNPN四层半导体结构，外部引出阳极，阴极和门极，是多元件的功率集成器件，内部由许多的GTO元的阳极和门极并联在一起。其工作原理可用双晶体管来分析P1N1P1和N1P2N2构成的两个晶体管V1,V2分别具有共基极电流增益α1和α2，普通的晶体管分析，α1+α2=1是器件的临界导电条件，当α1+α2>1时2，当α1+α2<1时不能维持饱和导通而关断。 1.3 GTO的驱动方式及频率 当信号要求可关断晶闸管导通时，驱动电路提供上升率足够大的正栅极脉冲电流（其幅度视晶闸管容量不同在0.1到几安培范围内），其正栅极脉冲宽度应保证门极关断晶闸管可靠导通。当信号要求门极关断晶闸管关断时，驱动电路提供上升率足够大的负栅极脉冲电流，脉冲幅度要求大于可关断晶闸管阳极电流的五分之一，脉冲宽度应大于可关断晶闸管的关断时间和尾部时间。 根据对驱动门极关断晶闸管的特性、容量、应用场合、电路电压、工作频率、可靠性要求和性价比等方面的不同要求，有多种形式的栅极驱动电路。
四种典型全控型 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α2较大，使晶体管V2控制灵敏。导通时α1+α2= 1.05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。2222 2、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(I b＞0)时大电流导通；反偏(I b＜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(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，漏源极之间无电流流过。如果在栅极和源极间加正向电压U GS，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u GS大于某一电压值U GS(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i D。电压U GS(th)称为开启电压，u GS超过U GS(th)越多，导电能力就越强，漏极电流i D也越大。 4、绝缘栅双极晶体管(IGBT) 1）基本结构 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u GE决定的，当u GE为正且大于开启电压u GE(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。
四种典型的全控型器件 班级学号：112033309 姓名：王振 日期：2013.10.3
四种典型的全控型器件 全控型器件：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件，又称为自关断器件。 四种典型全控型器件：只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进行试用。自70年代中期开始，GTO的研制取得突破，相继出世了1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A的产品，目前已达9kV/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。(2)大功率晶体管（GTR）GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，产生于本世纪70年代，其门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor—GTO），电力晶体管（Giant Transistor-GTO），电力场效应晶体管（Power MOSFET），绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）。 容量比较：（1）1964年，美国第一次试制成功了500V/10A的GTO。在此后的近10年内，GTO的容量一直停留在较小水平，额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。(3)功率MOSFET目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。(4)绝缘门极双极型晶体管（IGBT）IGBT是由美国GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，当时容量仅500V/20A，且存在一些技术问题。目前，其研制水平已达4500V/1000A。 开关频率：GTO的延迟时间一般为1～2us;下降时间一般小于2us。GTR的开关时间一般在几微秒以内，比晶闸管短很多，也短于GTO。MOSFET的开关时间一般在10--100ns之间。IGBT的开关时间要低于电力MOSFET。 驱动方式和驱动功率：GTO：电流驱动型，驱动功率大。GTR：电流驱动型，驱动功率大。电力MOSFET：电压驱动型，驱动功率小。IGBT：电压驱动型，驱动功率小。 存在问题：GTO缺点是：同样工作条件下擎住电流大。擎住电流指刚从断态转入通态并切除门极电流之后，能维持通态所需的最小阳极电流。关断脉冲对功率和负门极电流的上升率要求高。门控回路比较复杂。GTR缺点是：开关比速度低，驱动电路复杂，存在二次击穿问题。MOSFET缺点是：击穿电压低，工作电流小。 IGBT 的缺点是：K开关速度低于电力MOSFET,电压电流容量不及GTO。 最新发展：GTO:当前各种自关断器件中，GTO容量最大、工作频率最低(1~2kHz)。GTO是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流；GTO
四种典型全控型器件的比较
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α2较大，使晶体管V2控 制灵敏。导通时α1+α 2= 1.05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。 2222 R NPN PNP A G S K E G I G E A I K I c2 I c1I A V 1 V 2b) 2、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(I b＞0)时大电流导通；反偏(I b＜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(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，漏源极之间无电流流过。如果在栅极和源极间加正向电压U GS，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u GS大于某一电压值U GS(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i D。电压U GS(th)称为开启电压，u GS超过U GS(th)越多，导电能力就越强，漏极电流i D也越大。 4、绝缘栅双极晶体管(IGBT) 1）基本结构 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u GE决定的，当u GE为正且大于开启电压u GE(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。
全控型器件 1.通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件被称为 全控型器件，又称为自关断器件；这类器件很多，门极可关断晶闸管 （Gate-Turn-Off Thyristor—GTO），电力场效应晶体管（Power MOSFET），绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）均属于此类。 ●绝缘栅双极晶体管 绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）综合 了电力晶体管（Giant Transistor—GTR）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；IGBT也是三端器 件：栅极，集电极和发射极。 ●门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor—GTO）也是晶闸管 （Thyristor）的一种派生器件，但可以通过在门极施加负脉冲使其关 断，因而属于全控型器件；它和普通晶闸管一样，也是PNPN四层结构， 外部引出三个极，阳极，阴极和门极；工作条件同普通晶闸管；其主要 用于兆瓦级以上的大功率场合。 ●电力场效应晶体管 电力场效应晶体管分为两种类型，结型和绝缘栅型，但通常所说的是绝 缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力MOSFET （Power MOSFET），P-MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流，它的显著 特点是驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快，工作频率高；但是其 电流容量小，耐压低，只用于小功率的电力电子装置，其工作原理与普 通MOSFET一样。 ●电力晶体管 电力晶体管按英文Giant Transistor直译为巨型晶体管，是一种耐高 电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor—BJT）， 所以有时也称为Power BJT；其特性有：耐压高，电流大，开关特性好， 但驱动电路复杂，驱动功率大；GTR和普通双极结型晶体管的工作原理 是一样的。 ●双极结型晶体管 双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor—BJT）又称为半导体 三极管，它是通过一定的工艺将两个PN结结合在一起的器件，有PNP 和NPN两种组合结构；外部引出三个极：集电极，发射极和基极，集电 极从集电区引出，发射极从发射区引出，基极从基区引出（基区在中间）； BJT有放大作用，重要依靠它的发射极电流能够通过基区传输到达集电 区而实现的，为了保证这一传输过程，一方面要满足内部条件，即要求 发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区厚度要很小，另一方 面要满足外部条件，即发射结要正向偏置（加正向电压）、集电结要反 偏置；BJT种类很多，按照频率分，有高频管，低频管，按照功率分， 有小、中、大功率管，按照半导体材料分，有硅管和锗管等；其构成的
四种典型全控型器件 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=1.05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。 2222 2、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(I b＞0)时大电流导通；反偏(I b＜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(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，漏源极之间无电流流过。如果在栅极和源极间加正向电压U GS，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u GS大于某一电压值
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四种典型全控型器件的比较 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= 1.05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。 2222 2、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(I b＞0)时大电流导通；反偏(I b＜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(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，漏源极之间无电流流过。如果在栅极和源极间加正向电压U GS，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u GS大于某一电压值U GS(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
典型全控型电力电子器件 教学目的和要求:掌握门极可关断晶闸管的工作原理及特性、电力晶体管的工作 原理，了解电力场控晶体管的特性与参数及安全工作区。掌握电力场控晶体管的 工作原理。掌握绝缘栅双极型晶体管的工作原理、参数特点。了解静电感应晶体 管静电感应晶闸管的工作原理。 重点与难点:掌握电力晶体管、电力场控晶体管、绝缘栅双极型晶体管的工作原 理、参数特点。 教学方法: 借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学 预复习任务:复习上节课学的半控型器件晶闸管的相关知识,对比理解掌握本节课程。内容导入: 门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。 全控型电力电子器件的典型代表：门极可关断晶闸管、电力晶体管、 电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。 一、门极可关断晶闸管 晶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。 1. GTO的结构和工作原理 与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门 极。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。 工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析。
由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益α1 和α2 。α1+α2=1是器件临界导通的条件。 GTO的关断过程与普通晶闸管不同。关断时，给门极加负脉冲，产生门极电流-I G，此电流使得V1管的集电极电流I Cl被分流，V2管的基极电流I B2减小，从而使I C2和I K减小，I C2的减小进一步引起I A和I C1减小，又进一步使V2的基极电流减小，形成内部强烈的正反馈，最终导致GTO阳极电流减小到维持电流以下,GTO由通态转入断态。 结论： ?GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。 ?GTO关断过程中有强烈正反馈使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d i/d t能力强。 2. GTO的动态特性 开通过程：与普通晶闸管相同 关断过程：与普通晶闸管有所不同 3. GTO的主要参数 （a）开通时间t on （b）关断时间t off （c）最大可关断阳极电流I ATO （d）电流关断增益βoff ——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值I GM之比称为电流关断增益。 βoff一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断