电力电子器件在工作原理上的差别

电力电子器件（GTO 、GTR 、MOSFET 、IGBT 、IGCT 、MCT ）在工作原理上有什么差别？分析：电力电子器件（power electronic device ）——可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。

1. 门极可关断晶闸管（Gate Turn Off Thyristor--GTO ）。

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。

晶闸管的双晶体管模型及其工作原理GTO 是由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。

当α1+α2>1时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当α1+α2<1时，不能维持饱和导通而关断。

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：强烈正反馈——门极加负脉冲即从门极抽出电流，则I b2减小，使I K 和I c2减小，I c2的减小又使I A 和I c1减小，又进一步减小V2的基极电流。

当I A 和的减小使α1+α2<1时，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. 电力晶体管（Giant Transistor ——GTR ）GTR 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor ——BJT ），英文有时候也称为Power BJT 。

在电力电子技术的范围内，GTR 与BJT 这两个名称等效。

20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT 和电力MOSFET 取代。

AP 1AGK N 1P 2P 2N 1N 2a)b)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) 内部载流子的流动与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的，主要特性是耐压高、电流大、开关特性好，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，采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。

在应用中，GTR 一般采用共发射极接法。

集电极电流i c 与基极电流i b 之比为β ——GTR 的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力，当考虑到集电极和发射极间的漏电流I ceo 时，i c 和i b 的关系为 i c=β i b +I ceo产品说明书中通常给直流电流增益h FE ——在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。

一般可认为β≈h FE 。

单管GTR 的β 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。

一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，I c 迅速增大，出现雪崩击穿。

只要I c 不超过限度，GTR 一般不会损坏，工作特性也不变。

二次击穿：一次击穿发生时I c 增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。

常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。

3. 电力场效应晶体管主要指绝缘栅型中的MOS 型（Metal Oxide Semiconductor FET ）MOSFET 目前广泛应用，按导电沟道可分为P 沟道和N 沟道，耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增强型——对于N （P ）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道电力MOSFET 主要是N 沟道增强型。

a)集电极cb)c)具有显著的特点：用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小。

开关速度快，工作频率高。

热稳定性优于GTR 。

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 。

电力MOSFET 的结构和电气图形符号电力MOSFET 的工作原理：截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。

P 基区与N 漂移区之间形成的PN 结J1反偏，漏源极之间无电流流过。

导电：在栅源极间加正电压U GS栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。

但栅极的正电压会将其下面P 区中的空穴推开，而将P 区中的少子——电子吸引到栅极下面的P 区表面。

当U GS 大于U T （开启电压或阈值电压）时，栅极下P 区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P 型半导体反型成N 型而成为反型层，该反型层形成N 沟道而使PN 结J1消失，漏极和源极导电 。

MOSFET 的开关速度：MOSFET 的开关速度和C in 充放电有很大关系。

使用者无法降低C in ，但可降低驱动电路内阻R s 减小时间常数，加快开关速度。

MOSFET 只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速。

GDP 沟道b)a)GD N 沟道图1-19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。

场控器件，静态时几乎不需输入电流。

但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。

开关频率越高，所需要的驱动功率越大。

4. 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor — —IGBT 或IGT ） IGBT 是 GTR 和MOSFET 复合，结合二者的优点，具有好的特性。

1986年投入市场后，取代了GTR 和一部分MOSFET 的市场,中小功率电力电子设备的主导器件。

继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO 的地位。

IGBT 的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号N 沟道VDMOSFET 与GTR 组合——N 沟道IGBT （N-IGBT ）IGBT 比VDMOSFET 多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N 结J1。

——使IGBT 导通时由P+注入区向N 基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT 具有很强的通流能力。

简化等效电路表明，IGBT 是GTR 与MOSFET 组成的达林顿结构，一个由MOSFET 驱动的厚基区PNP 晶体管。

RN 为晶体管基区内的调制电阻。

IGBT 的工作原理：驱动原理与电力MOSFET 基本相同，场控器件，通断由栅射极电压u GE 决定。

导通：u GE 大于开启电压u GE (th)时，MOSFET 内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT 导通。

导通压降：电导调制效应使电阻RN 减小，使通态压降小。

关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET 内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT 关断。

a)发射极栅极GI Cb )Gc )IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。

IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。

高压器件的N基区必须有足够宽度和较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。

5. IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor），也称GCT （Gate-Commutated Thyristor）20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大。

目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。

6. MOSFET与晶闸管的复合（MOS Controlled Thyristor-- MCT）MCT结合了二者的优点：MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程。

晶闸管的高电压大电流、低导通压降。

一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。

MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。

因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。

但经过十多年的努力，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。

概括来说：IGBT优点：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点：开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTOGTR优点：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO优点：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；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，开关频率低电力MOSFET优点：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题；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。

IGCT优点结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，缺点是所需的驱动功率仍很大。

MCT优点是MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程。

缺点是技术还不太成熟，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。