四种典型全控型器件比较

《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》
U
G
U
90
GE
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GEM
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10
GE
0
I
C
I CM
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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：
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 A
IA PNP
V1
G IG
Ic1
I c2
R
NPN V 2
S
EA
EG
IK
K
b)
2、电力晶体管 (GTR) 1）电力晶体管的结构：
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内部结构
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
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 uGE 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 di ／dt 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。
工作频率由高到低
GTO 6000 6000
器件名称 开关频率
电力 MOSFET IGBT
3M
50K
GTR 30K
GTO 10K
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 )
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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
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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
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。
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 UGS，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 uGS大于某一电压值 UGS(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 UGS(th) 称为开启电压， uGS超过 UGS(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
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 。
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
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。
承受大电压大电 电压大电流
以承受大电压大 以 承 受 大 电 压
流
电流
大电流
最大阳极电流 二次击穿
静电击穿
擎住效应
保护
缓冲电路
过压保护
静电保护
过流保护
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
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，
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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 MOSFE是T 一种压控型器件，图为其驱动：
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 uGE 决定的，当 uGE 为正且大于开启电压 uGE(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
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：
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① IGBT 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。
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。
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。
功率一览
器件名称 电压 /V 电流 /A
电力 MOSFET IGBT
1000
2500
100
1000
GTR 1800 400
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
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四种典型全控型 器件的比较
2
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
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、
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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
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。
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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
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。
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，目前正由国内著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》
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，
驱动比较一览表
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结构 控制方式 特点
缺点
GTO
GTR
MOS
IGBT
多元集成 4 层 多 元 集 成 3 层 多 元 集 成 3 层 多元集成 GCE
AGK
GCE
GDS
电流控制型
电流控制型
电压控制型
电压控制型
双极
双极
单极
复合型
驱动电路复杂， 驱动电路复杂， 导 驱动电路简单， 驱动电路简单，
导通压降低，开 通压降低， 开关速 导通压降大，开 导通压降低， 开 关速度低，可以 度低，可以承受大 关速度高，不可 关速度较快， 可