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》