《电力电子技术》
第二节 电力晶体管(GTR)
一、电力晶体管的结构与工作原理 1．电力晶体管的结构
a)
b)
图4-7 NPN型电力晶体管的内部结构及电气图形符号
a) 内部结构 b) 电气图形符号
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电力晶体管的外形图
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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
一、GTO的结构与工作原理 1．基本结构
a)芯片的实际图形
b) GTO结构的纵断面
c) GTO结构的纵断面 d)图形符号
图4-1 GTO的内部结构和电气图形符号
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GTO的外形图
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2．工作原理
图4-2 GTO的工作原理电路
当图中开关S置于“1”时，IG是正向触发电流，控制GTO导
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小结
是一种压控型器件，用栅极电压来控制 漏极电流，驱动电路简单，驱动功率小。 单极型器件，开关时间短，开关速度快， 工作频率高。 不存在二次击穿 电流容量小，耐压低，通态压降大。
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第四节 绝缘栅双极晶体管(IGBT)
一、基本结构
a)
b)
c)
图4-19 1GBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a)内部结构 b)简化等效电路 c)电气图形符号
通；S置于“2”时，则门极加反向电流，控制GTO关断。
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二、GTO的特性与主要参数
1．GTO的开关特性
图4-3 GTO在开通和关断过程中电流的波形
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2．GTO的主要参数
GTO的基本参数与普通晶闸管大多相同。
1) 反向重复峰值电压URRM：
① 不规定URRM值。
② URRM值很低。
gm

diD duGS
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二、电力MOSFET的特性
a)
b)
图4-15 电力MOSFET的转移特性和输出特性
a) 转移特性 b) 输出特性
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2．输出特性
输出特性是指以栅源电压uGS为参变量，漏极电流iD与 漏源电压uDS之间关系的曲线，如图4-15b所示。
①截止区。uGS≤UGS(th)，iD=0，这和电力晶体管的截止区
(4)最高工作结温TJM
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3．二次击穿和安全工作区
(1)二次击穿 二次击穿是由于集电极电压升高到一定值(未
达到极限值)时，发生雪崩效应造成的。一般情况下， 只要功耗不超过极限，GTR是可以承受的，但是在实 际使用中，会出现负阻效应，使iE进一步剧增。由 于GTR结面的缺陷、结构参数的不均匀，使局部电流 密度剧增，形成恶性循环，使GTR损坏。
2）漏极最大允许电流IDM：即电力MOSFET的额定电流，其
大小主要受管子的温升限制。
3）栅源电压UGS：栅极与源极之间的绝缘层很薄，承受电
压很低，一般不得超过20 V，否则绝缘层可能被击穿而损 坏，使用中应加以注意。
总之，为了安全可靠，在选用MOSFET时，对电压、电流 的额定等级都应留有较大裕量。
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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
图4-13b所示充放电型R、C、VD缓冲电路增加了缓冲二极管VD2，可以
用于大容量的GTR。但它的损耗(在缓冲电路的电阻上产生的)较大，不适 合用于高频开关电路。
图4-13c所示阻止放电型R、C、VD缓冲电路，较常用于大容量GTR和
高频开关电路，其最大优点是缓冲产生的损耗小。
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第三节 电力场效应晶体管(Power MOSFET)
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，其电气图形符号如图4-19c所示。 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。
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相对应。
②饱和区。uGS＞UGS(th)，uDS≥uGS -UGS(th)，当uGS不变时， iD几乎不随uDS的增加而增加，近似为一常数，故称为饱和
区。这里的饱和区对应电力晶体管的放大区。当用做线性 放大时，MOSFET工作在该区。
③非饱和区。uGS＞UGS(th)，uDS＜uGS -UGS(th)，漏源电压uDS 和漏极电流iD之比近似为常数。该区对应于电力晶体管的
⑤应有较强的抗干扰能力，并有一定的保
护功能。
图4-11 GTR基极驱动电流波形
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(2)基极驱动电路
图4-12 实用的GTR驱动电路
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3．GTR的保护电路
a)
b)
c)
图4-13 GTR的缓冲电路
图4-13a所示RC缓冲电路简单，对关断时集电极—发射极间电压上升
有抑制作用。这种电路只适用于小容量的GTR(电流10 A以下)。
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IGBT的外形图
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二、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。
全控型电力电子器件
学习目标
1. 掌握GT0、GTR、功率MOSFET、IGBT四种 常见全控型电力电子器件的工作原理、特性、 主要参数、驱动电路及使用中应注意的问题。
2. 熟悉常见全控型电力电子器件各自特点以及 适用场合。
3. 了解新型电力电子器件的概况。
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第一节 门极可关断晶闸管(GTO)
管通常连接成共发射极电路，GTR通常工作在正偏(Ib＞0) 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。
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二、电力晶体管的特性与主要参数
1. GTR的基本特性
(1)静态特性
共发射极接法时，GTR的典型输出特性如图4-8所示， 可分为三个工作区：
图4-9 GTR开关特性
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2．GTR的参数
(1)最高工作电压 ①BUCBO：射极开路时，集-基极间的反向击穿电压。 ②BUCEO：基极开路时，集-射极之间的击穿电压。 ③BUCER：GTR的射极和基极之间接有电阻R。 ④BUCES：发射极和基极短路，集-射极之间的击穿电压。 ⑤BUCEX：发射结反向偏置时，集-射极之间的击穿电压。 其中BUCBO > BUCES > BUCES> BUCER> BUCEO，实际使用时， 为确保安全，最高工作电压要比BUCEO低得多。 (2)集电极最大允许电流ICM (3)集电极最大允许耗散功率PCM
③ URRM略低于UDRM。
④ URRM = UDRM。
⑤ URRM略大于UDRM。
2）最大可关断阳极电流IATO：GTO的最大阳极电流受发热和饱和深度两个
因素限制。阳极电流过大，内部晶体管饱和深度加深，使门极关断失效。
所以GTO必须规定一个最大可关断阳极电流，也就是GTO的铭牌电流。
3）关断增益βoff 最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值 IGM之比称为电流关断增益βoff。即
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iD。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iD也越大。
(2)安全工作区 以直流极限参数ICM、PCM、UCEM构成的工作区为 一次击穿工作区，如图4-10所示。
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图4-10 GTR安全工作区
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三、电力晶体管的驱动与保护
1．GTR基极驱动电路 (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。
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二、电力MOSFET的特性
1．转移特性
转移特性是指电力MOSFET的输入栅源电压uGS与输出漏 极电流iD之间的关系，如图4-15a所示。由图可见，当uGS< UGS(th)时，iD近似为零；当uGS＞UGS(th)时，随着uGS的增大， iD也越大。当iD较大时，iD与uGS的关系近似为线性，曲线的 斜率被定义为跨导gm，则有
off

I ATO I GM
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三、GTO的驱动与保护
1．GTO门极驱动电路 对门极驱动电路的要求： 1）正向触发电流iG。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﹣iG。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。
① 截止区。在截止区内，iB≤0，uBE≤0，uBC＜0，