基本介紹
- 中文名：全控型器件
- 通過：控制信號既可以控制其導通
- 又可以：控制其關斷的電力電子器件
- 又稱：自關斷器件
簡介,門極可關斷晶閘管（GTO),電力場效應電晶體（Power MOSFET）,場效應管,絕緣柵雙極電晶體（IGBT）,總結,
簡介
通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷的電力電子器件被稱為全控型器件，又稱為自關斷器件；這類器件很多，門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor—GTO），電力場效應電晶體（Power MOSFET），絕緣柵雙極電晶體（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）均屬於此類。
門極可關斷晶閘管（GTO)
門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor—GTO）也是晶閘管（Thyristor）的一種派生器件，但可以通過在門極施加負脈衝使其關斷，因而屬於全控型器件；它和普通晶閘管一樣，也是PNPN四層結構，外部引出三個極，陽極，陰極和門極；工作條件同普通晶閘管；其主要用於兆瓦級以上的大功率場合。
電力場效應電晶體（Power MOSFET）
電力MOS場效應管通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡稱電力MOSFET（Power MOSFET）。
結型電力場效應電晶體一般稱作靜電感應電晶體（Static Induction Transistor——SIT）。 是一種單極型的電壓控制全控型器件。
特點——用柵極電壓來控制漏極電流
輸入阻抗高，驅動電路簡單，需要的驅動功率小。
開關速度快，工作頻率高。
熱穩定性優於GTR。
電流容量小，耐壓低，一般只適用於功率不超過10kW的電力電子裝置 。
電力MOSFET的種類
按導電溝道可分為P溝道和N溝道。
耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道。
增強型——對於N（P）溝道器件，柵極電壓大於（小於）零時才存在導電溝道。
電力MOSFET主要是N溝道增強型。
電力MOSFET的結構
小功率MOS管是橫嚮導電器件。
電力MOSFET大都採用垂直導電結構，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。
按垂直導電結構的差異，分為利用V型槽實現垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MOS結構的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。
這裡主要以VDMOS器件為例進行討論。
電力MOSFET的工作原理（N溝道增強型VDMOS）
截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。
P基區與N漂移區之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過。
導電：在柵源極間加正電壓UGS
當UGS大於UT時，P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電 。
電力MOSFET的基本特性
(1)靜態特性
漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關係稱為MOSFET的轉移特性。
ID較大時，ID與UGS的關係近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs。
(2)MOSFET的漏極伏安特性（即輸出特性）：
截止區（對應於GTR的截止區）
飽和區（對應於GTR的放大區）
非飽和區（對應GTR的飽和區）
工作在開關狀態，即在截止區和非飽和區之間來迴轉換。
漏源極之間有寄生二極體，漏源極間加反向電壓時導通。
通態電阻具有正溫度係數，對器件並聯時的均流有利。
(3)動態特性
開通過程
開通延遲時間td(on)
上升時間tr
開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和
關斷過程
關斷延遲時間td(off)
下降時間tf
關斷時間toff——關斷延遲時間和下降時間之和
MOSFET的開關速度
MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關係。
可降低驅動電路內阻Rs減小時間常數，加快開關速度。
不存在少子儲存效應，關斷過程非常迅速。
開關時間在10~100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。
場控器件，靜態時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。
開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。
電力MOSFET的主要參數
除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：
(1)漏極電壓UDS——電力MOSFET電壓定額
(2)漏極直流電流ID和漏極脈衝電流幅值IDM——電力MOSFET電流定額
(3)柵源電壓UGS—— UGS>20V將導致絕緣層擊穿 。
(4)極間電容——極間電容CGS、CGD和CDS
場效應管
場效應管（Fjeld Effect Transistor簡稱FET ）是利用電場效應來控制半導體中電流的一種半導體器件，故因此而得名。場效應管是一種電壓控制器件，只依靠一種載流子參與導電，故又稱為單極型電晶體。與雙極型晶體三極體相比，它具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩定性好、抗輻射能力強、功耗小、製造工藝簡單和便於集成化等優點。
場效應管有兩大類，結型場效應管JFET和絕緣柵型場效應管IGFET，後者性能更為優越，發展迅速，套用廣泛。
一、結構與分類
N溝道結型場效應管是在同一塊N型矽片的兩側分別製作摻雜濃度較高的P型區（用P 表示），形成兩個對稱的PN結，將兩個P區的引出線連在一起作為一個電極，稱為柵極（g），在N型矽片兩端各引出一個電極，分別稱為源極（s）和漏極（d）。在形成PN結過程中，由於P 區是重摻雜區，所以N一區側的空間電荷層寬度遠大 。
二、工作原理
N溝道和P溝道結型場效應管的工作原理完全相同，只是偏置電壓的極性和載流子的類型不同而已。下面以N溝道結型場效應管為例來分析其工作原理。電路如圖Z0123所示。由於柵源間加反向電壓，所以兩側PN結均處於反向偏置，柵源電流幾乎為零。漏源之間加正向電壓使N型半導體中的多數載流子-電子由源極出發，經過溝道到達漏極形成漏極電流ID。
1．柵源電壓UGS對導電溝道的影響（設UDS=0）
在圖Z0123所示電路中，UGS <0，兩個PN結處於反向偏置，耗盡層有一定寬度，ID=0。若|UGS| 增大，耗盡層變寬，溝道被壓縮，截面積減小，溝道電阻增大；若|UGS| 減小，耗盡層變窄，溝道變寬，電阻減小。這表明UGS控制著漏源之間的導電溝道。當UGS負值增加到某一數值VP時，兩邊耗盡層合攏，整個溝道被耗盡層完全夾斷。（VP稱為夾斷電壓）此時，漏源之間的電阻趨於無窮大。管子處於截止狀態，ID=0。
2．漏源電壓UGS對漏極電流ID的影響（設UGS=0）
當UGS=0時，顯然ID=0；當UDS>0且尚小對，P N結因加反向電壓，使耗盡層具有一定寬度，但寬度上下不均勻，這是由於漏源之間的導電溝道具有一定電阻，因而漏源電壓UDS沿溝道遞降，造成漏端電位高於源端電位，使近漏端PN結上的反向偏壓大於近源端，因而近漏端耗盡層寬度大於近源端。顯然，在UDS較小時，溝道呈現一定電阻，ID隨UDS成線性規律變化；若UGS再繼續增大，耗盡層也隨之增寬，導電溝道相應變窄，尤其是近漏端更加明顯。
由於溝道電阻的增大，ID增長變慢了（如圖曲線AB段），當UDS增大到等於|VP|時，溝道在近漏端首先發生耗盡層相碰的現象。這種狀態稱為預夾斷。這時管子並不截止，因為漏源兩極間的場強已足夠大，完全可以把向漏極漂移的全部電子吸引過去形成漏極飽和電流IDSS （這種情況如曲線B點）：當UDS>|VP|再增加時，耗盡層從近漏端開始沿溝道加長它的接觸部分，形成夾斷區 。
由於耗盡層的電阻比溝道電阻大得多，所以比|VP|大的那部分電壓基本上降在夾斷區上，使夾斷區形成很強的電場，它完全可以把溝道中向漏極漂移的電子拉向漏極，形成漏極電流。因為未被夾斷的溝道上的電壓基本保持不變，於是向漏極方向漂移的電子也基本保持不變，管子呈恆流特性（如曲線BC段）。但是，如果再增加UDS達到BUDS時（BUDS稱為擊穿電壓）進入夾斷區的電子將被強電場加速而獲得很大的動能，這些電子和夾斷區內的原子碰撞發生鏈鎖反應，產生大量的新生載流予，使ID急劇增加而出現擊穿現象（如曲線CD段）。
由此可見，結型場效應管的漏極電流ID受UGS和UDS的雙重控制。這種電壓的控制作用，是場效應管具有放大作用的基礎。
三、特性曲線
1．輸出特性曲線
輸出特性曲線是柵源電壓UGS取不同定值時，漏極電流ID 隨漏源電壓UDS 變化的一簇關係曲線，如圖Z0124所示。由圖可知，各條曲線有共同的變化規律。UGS越負，曲線越向下移動）這是因為對於相同的UDS，UGS越負，耗盡層越寬，導電溝道越窄，ID越小。
由圖還可看出，輸出特性可分為三個區域即可變電阻區、恆流區和擊穿區。
◆可變電阻區：預夾斷以前的區域。其特點是，當0<UDS<|VP|時，ID幾乎與UDS呈線性關係增長，UGS愈負，曲線上升斜率愈小。在此區域內，場效應管等效為一個受UGS控制的可變電阻。
◆恆流區：圖中兩條虛線之間的部分。其特點是，當UDS>|VP|時，ID幾乎不隨UDS變化，保持某一恆定值。ID的大小隻受UGS的控制，兩者變數之間近乎成線性關係，所以該區域又稱線性放大區。
◆擊穿區：右側虛線以右之區域。此區域內UDS>BUDS，管子被擊穿，ID隨UDS的增加而急劇增加。
2．轉移特性曲線
當UDS一定時，ID與UGS之間的關係曲線稱為轉移特性曲線。實驗表明，當UDS>|VP|後，即恆流區內，ID 受UDS影響甚小，所以轉移特性通常只畫一條。在工程計算中，與恆流區相對應的轉移特性可以近似地用下式表示：Id=Idss(1-Ugs/Vp)(1-Ugs/Vp)
式GS0127中VP≤UGS≤0，IDSS是UGS=0時的漏極飽和電流。
絕緣柵雙極電晶體（IGBT）
■IGBT的結構和工作原理
◆IGBT的結構
☞是三端器件，具有柵極G、集電極C和發射極E。
☞由N溝道VDMOSFET與雙極型電晶體組合而成的IGBT，比VDMOSFET多一層P+注入區，實現對漂移區電導率進行調製，使得IGBT具有很強的通流能力。
☞簡化等效電路表明，IGBT是用GTR與MOSFET組成的達林頓結構，相當於一個由MOSFET驅動的厚基區PNP電晶體。
RN 為電晶體基區內的調製電阻。
◆IGBT的工作原理
☞IGBT的驅動原理與電力MOSFET基本相同，是一種場控器件。
☞其開通和關斷是由柵極和發射極間的電壓UGE決定的。
√當UGE為正且大於開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成 溝道，並為電晶體提供基極電流進而使IGBT導通。
√當柵極與發射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，電晶體的基極電流被切斷，使 得IGBT關斷。
☞電導調製效應使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態壓降。
■IGBT的基本特性
◆靜態特性
轉移特性描述的是集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關係。
開啟電壓UGE(th)是IGBT能實現電導調製而導通的最低柵射電壓，隨溫度升高而略有下降。
IGBT的轉移特性和輸出特性
a) 轉移特性
◆IGBT的特性和參數特點可以總結如下：
☞開關速度高，開關損耗小。
☞在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區比GTR大，而且具有耐脈衝電流衝擊的能力。
☞通態壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區域。
☞輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。
☞與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點。
總結
事實表明，無論是電力、機械、礦冶、交通、石油、能源、化工、輕紡等傳統產業，還是通信、雷射、機器人、環保、原子能、航天等高技術產業，都迫切需要高質量、高效率的電能。而電力電子正是將各種一次能源高效率地變為人們所需的電能，實現節能環保和提高人民生活質量的重要手段，它已經成為弱電控制與強電運行之間、信息技術與先進制造技術之間、傳統產業實現自動化、智慧型化改造和興建高科技產業之間不可缺少的重要橋樑。而新型電力電子器件的出現，總是帶來一場電力電子技術的革命。電力電子器件就好像現代電力電子裝置的心臟，它對裝置的總價值，尺寸、重量、動態性能，過載能力，耐用性及可靠性等，起著十分重要的作用。
