四种典型全控型器件比较研究报告技术指导_研究报告-技术指导.pdf

四种典型全控型 的比较 器件 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。2222 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(Ib0)时大电流导通；反偏(Ib 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 大于某一电压值 GS U 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 GS(th)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 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 10100ns 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。功率一览 器件名称 电力 MOSFET IGBT GTR GTO 电压/V 1000 2500 1800 6000 电流/A 100 1000 400 6000 工作频率由高到低 器件名称 电力 MOSFET IGBT GTR GTO 开关频率 3M 50K 30K 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 与工作原理芯片的实际图形结构的纵断面结构的纵断面图形符号的内部结构和电气图形符号较大使晶体管工作原理设计控制灵敏导通时时接近临界饱和有利门极控制关断但导通时管压降增大区横向电阻很小能从门极抽出较大电流下管的内部结构及电气图形符号工作原理在电力电子技术中主要工作在开关状态晶体管通常连接成共发射极电路通常工作在正偏时大电流导通反偏时处于截止状态因此给的基吸施加幅足够大的脉冲驱动信号它将工作于导通和截止的开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电力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型区和型结反向漏源极之间无电流流过如果在栅极和源极间加正 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：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。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。GTR 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。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。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：IGBT 是电压驱动的，具有 2.55.0 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。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。与工作原理芯片的实际图形结构的纵断面结构的纵断面图形符号的内部结构和电气图形符号较大使晶体管工作原理设计控制灵敏导通时时接近临界饱和有利门极控制关断但导通时管压降增大区横向电阻很小能从门极抽出较大电流下管的内部结构及电气图形符号工作原理在电力电子技术中主要工作在开关状态晶体管通常连接成共发射极电路通常工作在正偏时大电流导通反偏时处于截止状态因此给的基吸施加幅足够大的脉冲驱动信号它将工作于导通和截止的开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电力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型区和型结反向漏源极之间无电流流过如果在栅极和源极间加正 驱动电路中的正偏压应为 1215 V，负偏压应为 210 V。IGBT 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。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。若为大电感负载，IGBT 的关断时间不宜过短，以限制 didt 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。驱动比较一览表 GTO GTR MOS IGBT 结构 多元集成 4 层 多元集成 3 层 GCE 多元集成 3 层 多元集成 GCE AGK GDS 控制方式 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 特点 驱动电路复杂，驱动电路复杂，导 驱动电路简单，导 驱动电路简单，导通压降低，开 通压降低，开关速 通压降大，开关速 导通压降低，开 关速度低，可以 度低，可以承受大 度高，不可以承受 关速度较快，可 承受大电压大电 电压大电流 大电压大电流 以承受大电压 流 大电流 缺点 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了 GTO 导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。GTO 在高压(VBR33000V)/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。与工作原理芯片的实际图形结构的纵断面结构的纵断面图形符号的内部结构和电气图形符号较大使晶体管工作原理设计控制灵敏导通时时接近临界饱和有利门极控制关断但导通时管压降增大区横向电阻很小能从门极抽出较大电流下管的内部结构及电气图形符号工作原理在电力电子技术中主要工作在开关状态晶体管通常连接成共发射极电路通常工作在正偏时大电流导通反偏时处于截止状态因此给的基吸施加幅足够大的脉冲驱动信号它将工作于导通和截止的开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电力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型区和型结反向漏源极之间无电流流过如果在栅极和源极间加正 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 与工作原理芯片的实际图形结构的纵断面结构的纵断面图形符号的内部结构和电气图形符号较大使晶体管工作原理设计控制灵敏导通时时接近临界饱和有利门极控制关断但导通时管压降增大区横向电阻很小能从门极抽出较大电流下管的内部结构及电气图形符号工作原理在电力电子技术中主要工作在开关状态晶体管通常连接成共发射极电路通常工作在正偏时大电流导通反偏时处于截止状态因此给的基吸施加幅足够大的脉冲驱动信号它将工作于导通和截止的开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电力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型区和型结反向漏源极之间无电流流过如果在栅极和源极间加正 现代电力电子技术基础 与工作原理芯片的实际图形结构的纵断面结构的纵断面图形符号的内部结构和电气图形符号较大使晶体管工作原理设计控制灵敏导通时时接近临界饱和有利门极控制关断但导通时管压降增大区横向电阻很小能从门极抽出较大电流下管的内部结构及电气图形符号工作原理在电力电子技术中主要工作在开关状态晶体管通常连接成共发射极电路通常工作在正偏时大电流导通反偏时处于截止状态因此给的基吸施加幅足够大的脉冲驱动信号它将工作于导通和截止的开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电力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型区和型结反向漏源极之间无电流流过如果在栅极和源极间加正