電力電子器件在工作原理上的差別

1、電力電子器件(gto、gtr、mosfet、igbt、igct、mct)在工作原理上有什么差別？分析：電力電子器件(power electronic device) 口j直接用于處理電能的主電路屮，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。1 門極可關(guān)斷晶閘管(gate turn off thyristorgto)。品閘管的一種派生器件，可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，gto 的電壓、電流容量較大，與普通品閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場合仍冇較多的應(yīng)用。a)晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理gto是由p1n1p2和n1p2n2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管vi、v2分別具冇共基極電 流增益q 1和q 2。

2、al+6t2=l是器件臨界導(dǎo)通的條件。為創(chuàng)+必1吋，兩個(gè)等效 晶休管過飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)加+必vi時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。gto 導(dǎo)通過程與普通品閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。gto關(guān)斷過程：強(qiáng)烈 正反饋門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流，則/b2減小，使厶和心2減小，ic2 的減小又使厶和/cl減小，又進(jìn)一步減小v2的基極電流。當(dāng)ia和的減小使 甸+必1時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使gto比普通晶閘管開通 過程快，承受di/ck能力強(qiáng)。2.電力晶體管(giant transistorgtr)gtr耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型品體管(bipolar junction transis

3、torbjt),英文有時(shí)候也稱為power bjto在電力電了技術(shù)的范圍內(nèi)，gtr與bjt這兩個(gè)名稱等效。20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代 晶閘管，但口前又大多被igbt和電力mosfet取代。丿jp1丿集電臉a)b).afl-cv“01+0爪c)gtr的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)0內(nèi)部載流子的流動(dòng)與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的，主要特性是耐壓高、電流大、 開關(guān)特性好，通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)，采用集 成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。在應(yīng)用中，gtr 一般采用共發(fā)射極接法。 集電極電流ic與基極電流

4、/b z比為0gtr的電流放大系數(shù)，反映了基極電 流對(duì)集電極電流的控制能力，當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流zceo時(shí)，ic 和zb的關(guān)系為ic=/3 zb +/ceo產(chǎn)品說明書屮通常給直流電流增益afe在直流工作情況下集電極電流 與基極電流之比。一般可認(rèn)為侏/zfe o單管gtr的0值比小功率的晶體管小 得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可冇效增大電流增益。一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，化辿速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿。只 要不超過限度，gtr -般不會(huì)損壞，工作特性也不變。二次擊穿：一次擊穿發(fā)生吋/c增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并伴 隨電壓的陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或

5、者工作特性明顯衰變。3.電力場效應(yīng)晶體管主要指絕緣柵型中的mos型(metal oxide semiconductor fet)mosfet 0前廣泛應(yīng)用，按導(dǎo)電溝道可分為p溝道和n溝道，耗盡型 當(dāng)柵極電壓為零吋漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型對(duì)于n (p)溝道器件, 柵極電壓大于(小于)零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道電力mosfet主要是n溝道增強(qiáng)型。具有顯著的特點(diǎn)：用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡單,需要的驅(qū)動(dòng)功率小。 開關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于gtro電流容量小，耐壓低，一般只 適用于功率不超過10kw的電力電子裝置。gin溝道p溝道a)b)電力mosfet的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)電力mosf

6、et的工作原理：截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。p基區(qū)與n漂移區(qū)之間形成的pn結(jié)j1反偏，漏源極之間無電流流過。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓1/gs柵極是絕緣的，所以不會(huì)冇?xùn)艠O電流流過。但柵極的正電壓會(huì)將其下面p 區(qū)中的空穴推開，而將p區(qū)屮的少子電子吸引到柵極下面的p區(qū)表面。當(dāng)大于5 （開啟電壓或閾值電壓）吋，柵極下p區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使p型半導(dǎo)體反型成n型而成為反型層，該反型層形 成n溝道而使pn結(jié)j1消失，漏極和源極導(dǎo)電。mosfet的開關(guān)速度：mosfet的開關(guān)速度和cin充放電冇很大關(guān)系。使用者無法降低cin,但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻/?s減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速 度。

7、mosfet只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速。開關(guān)時(shí)間在10100ns z間，工作頻率可達(dá)100khz以上，是主耍電力電了器 件中最高的。場控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程屮需對(duì)輸入電容充放 電，仍需一定的駆動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的駆動(dòng)功率越大。4. 絕緣柵雙極晶體管（insulatedgate bipolar transistorigbt 或 igt）igbt是gtr和mosfet復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性。1986年 投入市場后，取代了 gtr和一部分mosfet的市場，中小功率電力電子設(shè)備的 主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代gt

8、o的地位。igbt的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號(hào)a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b）簡化等效電路c）電氣圖形符號(hào)n 溝道 vdmosfet 與 gtr 組合n 溝道 igbt （n-igbt） igbt 比vdmosfet多一層p+注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的p+n結(jié)j1。使igbt 導(dǎo)通時(shí)由p+注入?yún)^(qū)向n基區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)漂移區(qū)屯導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得 igbt具有很強(qiáng)的通流能力。簡化等效電路表明，igbt是gtr與mosfet組 成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由mosfet驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)pnp晶體管。rn為晶體管基 區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。igbt的工作原理：驅(qū)動(dòng)原理與電力mosfet基木相同，場控器件，通斷由柵射極電

9、壓上決定。導(dǎo)通：厶匕大于開啟電壓（山）時(shí)，mosfet內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極 電流，igbt導(dǎo)通。導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻rn減小，使通態(tài)壓降小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，mosfet內(nèi)的溝道消失，品體管的基 極電流被切斷，igbt關(guān)斷。igbt中雙極型pnp晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也 引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而igbt的開關(guān)速度低于電力mosfeto igbt的擊穿 電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷吋間也是需要折衷的參數(shù)。高壓器件的n基區(qū)必須有足 夠?qū)挾群洼^高的電阻率，這會(huì)引起通態(tài)壓降的增大和關(guān)斷時(shí)間的延長。5. igct ( integrated gate-co

10、mmutated thyristor ),也稱 gct (gate-commutated thyristor)20世紀(jì)90年代后期岀現(xiàn)，結(jié)合了 igbt與gto的優(yōu)點(diǎn)，容量與gto相當(dāng), 開關(guān)速度快10倍，且可省去gto龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過所需的驅(qū)動(dòng)功 率仍很大。目前正在與igbt等新型器件激烈競爭，試圖最終取代gto在大功率場合的位 置。6. mosfet 與晶閘管的復(fù)合(mos controlled thyristor- mct)mct結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：mosfet的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、快速的開關(guān)過 程。晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降。一個(gè)mct器件由數(shù)以萬計(jì)的mct元組 成

11、，每個(gè)元的組成為：一個(gè)pnpn晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開通的mosfet, 和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的mosfeto mct曾-度被認(rèn)為是一種最冇發(fā)展前途 的電力電子器件。因此，20世紀(jì)80年代以來一度成為研究的熱點(diǎn)。但經(jīng)過i 多 年的努力，其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù) 值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。概括來說：igbt優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài) 壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率??；缺點(diǎn)：開關(guān)速度低于 電力mosfet,電壓，電流容量不及gt0gtr優(yōu)點(diǎn)：耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低；缺點(diǎn): 開關(guān)速度低，為電流驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，存在二次擊 穿問題gt0優(yōu)點(diǎn)：電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其 通流能力很強(qiáng)；缺點(diǎn)：電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流大，開 關(guān)速度低，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低電力mosfet優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率 小且驅(qū)動(dòng)電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題