四种典型的全控型器件

四种典型的全控型器件
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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
通态压降大、dV/dT及di/dt耐量低，需要庞大的吸收电路。

目前，GTO虽然在低于2000V的某些领域内已被GTR和IGRT等所替代，但它在大功率电力牵引中有明显优势；今后，它也必将在高压领域占有一席之地。

GTR:GTR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。

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。

MOSFET:MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它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。

IGBT:IGBT于1986年开始正式生产并逐渐系列化。

至90年代初，IGBT 已开发完成第二代产品。

目前，第三代智能IGBT已经出现，科学家们正着手研究第四代沟槽栅结构的IGBT。

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。

目前，其研制水平已达4500V/1000A。

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已逐步替代GTR成为核心元件。

另外，IR公司已设计出开关频率高达150kHz 的WARP系列400～600VIGBT，其开关特性与功率MOSFET接近，而导通损耗却比功率MOSFET低得多。

该系列IGBT有望在高频150kHz整流器中取代功率MOSFET，并大大降低开关损耗。