全控型器件的详细介绍

典型全控型器件的介绍班级学号 :
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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。

1.4存在的问题及其最新的发展
GTO在使用中，导通时的管压降较大，增加了通态损耗。

对关断负脉冲的要求较高，门极触发电路需要严格设计，否则易在关断过程中烧毁管子。

门极电流应大于元件的擎住电流IL;正负触发脉冲其前沿要陡，后沿要平缓，中小功率电路上升沿小于0.5μs ，大功率电路小于1μs ；门极电路电阻要小，以减小脉冲源内阻由于多元集成，对制造工艺提出极高的要求，它要求必须保持所有GTO元特性一致，开通或关断速度不一致，会使GTO元因电流过大而损坏。

GTO主要用于高电压，大功率的的斩波电路及逆变器等电路中，例如恒压恒频电源，常用的不停电电源等，另一类GTO的典型应用是调频调压电源，这种电源多用于风机，水汞等交流变频调速系统中。

由于其耐压高，电流大，开关速度快，控制电路简单方便，因此还特别适用于汽油及点火系统。

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。

二.电力晶体管
2.1电力晶体管的结构接原理
电力晶体管是一种耐高压，大电流的双极结型晶体管，简称为GTR。

GTR通常采用至少由两个晶体管按达灵顿接法组成的单元结构，采用集成电路这种单元并联而成。

GTR由三层半导体分别引出集电极，基极和发射极形成的两个PN节（集电极和发射极）构成。

2.2电力晶体管的开关段时间及过程
开通过程：施加正脉冲电，开通时间为ton : td + tr 。

加快开通过程的办法 ： td 主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。

增大ib 的幅值并增大dib/dt ，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程。

关断过程：施加负脉冲电流。

关断时间toff ：ts ＋t ，加快关断速度的办法：减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。

负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces 增加，从而增大通态损耗。

GTR 的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO 都短很多。

ts 是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。

2.3电力晶体管的频率及容量
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,其额定值已达1800V/800A/2KHz 、1400V/600A/5KHz 、600V/3A/100KHz 。

它既具备晶体管的固有特性,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。

i b I b 1 I b 2 I c s i c 0 0 90% I b 1 10% I b 1 90% I c s 10% I c s t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t
t t of f t s t f t o n t r t d
2.4电力晶体管的优缺点
能承受上千伏电压，具有大的电流密度和低的通态压降，在20世纪七八十年代成为逆交器、变频器等电力电子装置的主导功率开关器件，开关频率可达5kHz 。

但是GTR 存在许多不足:①对驱动电流波形有一定要求，驱动电路较复杂；②存在局部热点引起的二次击穿现象，安全工作区(SOA)小；③通态损耗和关断时存储时间(s t )存在矛盾，要前者小必须工作于深饱和，而如深饱和，s t 便长，既影响开关
频率，又增加关断损耗大;④承受/dv dt 及/di dt 能力低;⑤单管电流放大倍数小，为增加放大倍数，联成达林顿电路又使管压降增加等等，而为改善性能(抑制/dv dt 及/di dt ，改变感性负载时的动态负载线使在SOA 内，减小动态损耗)，运用时必须加缓冲电路。

2.5电力晶体管的发展前景
它既具备晶体管的固有特性,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。

在开关电源和UPS 内,下 正逐步被功率MOSFET 和GBT 所代替。

三电力场效应晶体管
电力场效应晶体管又简称电力MOSFET ，是一种电压控制型单极晶体管,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 是通过栅极电压来控制漏极电流的,因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小 仅由多数载流子导电,无少子存储效应,高频特性好,工作频率高达100KHz 以上 ,为所有电力电子器件中频率之最,因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合 没有二次击穿问题,安全工作区广,耐破坏性强。

功
率MOSFET 下的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大,不适宜运用于大功率装置。

目前制造水平大概是1KV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。

开通过程:从u p前沿时刻到u GS=U T，且开始出现i D的时刻，这段时间称为开通延时时间t d(on)。

此后，i D随u GS的上升而上升，u GS从开启电压U T上升到Power MOSFET临近饱和区的栅极电压u GSP这段时间，称为上升时间t r。

这样Power MOSFET的开通时间问为:t on=t d(on)+t r
关断过程：当u p信号电压下降到0时，栅极输入电容上储存的电荷通过电阻R S和R G放电，使栅极电压按指数曲线下降，当下降到u GSP继续下降，i D才开始减小，这段时间称为关断延时时间t d(off)。

此后，输入电容继续放电，u GS继续下降，i D也继续下降，到u GS< SPAN>T时导电沟道消失，i D=0，这段时间称为下降时间t f。

这样Power MOSFET 的关断时间
功率MOSFET的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。

顺便强调一下，由于MOSFET管内阻与电压成比例，它在要求低压(3．3~1V)电源的电脑和通信等领域则可大显身手，目前MOSFET的导通电阻可减小至6~10m ，主要用于高频开关电源的同步电流。

四绝缘栅型晶体管
绝缘栅双极晶体管是一种复合型器件，综合了少子器件(G T O、G T R)和多子器件(MOSFET)各自的优良特性，既有输入阻抗高，开关速度快，驱动电路简单的优点，又有输出电流密度大，通态压降下，电压耐量高的处。

IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。

通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使IGBT导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使IGBT因流过反向门极电流而关断。

IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。

它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。

比较而言，IGBT的开关速度低于功率MOSFET，却明显高于GTR；IGBT
的通态压降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；IGBT的电流、电压等级与GTR接近，而比功率MOSFET高。

由于IGBT具有上述特点接近，而比功率MOSFET 高。

由于IGBT具有上述特点，在中等功率容量(600V以上)的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中IGBT逐步替代GTR成为核心元件。

IGBT早已做到1800V/800A，10kHz;1200V/600A，20kHz的商品化，600V/100A的硬开关工作频率可达150kHz。

目前，已经研制出的高功率沟槽栅结构IGBT(Trench IGBT)模块是高耐压大电流IGBT通常采用的结构，它避免了大电流IGBT模块内部大量的电极引线，提高了可靠性和减少了引线电感.其缺点是芯片面积利用率下降.所以这种平板结构的高压大电流IGBT模块将在高压、大功率变流器中获得广泛应用。