功率晶体管(GTR)的特性电子教案
电力电子实验指导书功率场效应晶体管(MOSFET)特性与驱动电路研究
实验三功率场效应晶体管(MOSFET)特性与驱动电路研究一．实验目的：1．熟悉MOSFET主要参数的测量方法2．掌握MOSEET对驱动电路的要求3．掌握一个实用驱动电路的工作原理与调试方法二．实验内容1．MOSFET主要参数：开启阀值电压V GS(th),跨导g FS,导通电阻R ds输出特性I D=f（Vsd）等的测试2．驱动电路的输入,输出延时时间测试.3．电阻与电阻、电感性质载时，MOSFET开关特性测试4．有与没有反偏压时的开关过程比较5．栅-源漏电流测试三．实验设备和仪器1．MCL-07电力电子实验箱中的MOSFET与PWM波形发生器部分2．双踪示波器（自配）3．毫安表4．电流表5．电压表4、实验线路见图2—2五．实验方法1．MOSFET主要参数测试（1）开启阀值电压V GS(th)测试开启阀值电压简称开启电压，是指器件流过一定量的漏极电流时（通常取漏极电流I D=1mA)的最小栅源电压。
在主回路的“1”端与MOS 管的“25”端之间串入毫安表，测量漏极电流I D ，将主回路的“3”与“4”端分别与MOS 管的“24”与“23”相连，再在“24”与“23”端间接入电压表, 测量MOS 管的栅源电压Vgs ，并将主回路电位器RP 左旋到底，使Vgs=0。
将电位器RP 逐渐向右旋转，边旋转边监视毫安表的读数，当漏极电流I D =1mA 时的栅源电压值即为开启阀值电压V GS （th ）。
读取6—7组I D 、Vgs ，其中I D =1mA 必测，填入表2—6。
（2）跨导g FS 测试双极型晶体管（GTR ）通常用h FE （β）表示其增益，功率MOSFET 器件以跨导g FS表示其增益。
跨导的定义为漏极电流的小变化与相应的栅源电压小变化量之比，即g FS =△I D /△V GS 。
典型的跨导额定值是在1/2额定漏极电流和V DS =15V 下测得，受条件限制，实验中只能测到1/5额定漏极电流值。
SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性实验
SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性
实验
一、实验目的
(1)掌握各种电力电子器件的工作特性。
(2)掌握各器件对触发信号的要求。
二、实验所需挂件及附件
(略)
三、实验线路及原理
将电力电子器件(包括SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT五种)和负载电阻R串联后接至直流电源的两端, 给定电压从零开始调节, 直至器件触发导通, 从而可测得在上述过程中器件的V/A特性。
实验线路的具体接线如下图所示:
图3-26 新器件特性实验原理图
四、实验内容
(1)晶闸管（SCR）特性实验。
(2)可关断晶闸管（GTO）特性实验。
(3)功率场效应管（MOSFET）特性实验。
(4)大功率晶体管（GTR）特性实验。
(5)绝缘双极性晶体管（IGBT）特性实验。
五、思考题
各种器件对触发脉冲要求的异同点？
七、实验方法
给定电压, 监视电压表、电流表的读数, 当电压表指示接近零（表示管子完全导通）, 停止调节, 记录给定电压Ug调节过程中回路电流Id以及器件的管压降Uv。
(1) SCR测试
(2) GTO测试
(3) MOSFET测试
(4)GTR测试
(5)IGBT测试
八、实验结论
根据得到的数据, 绘出各器件的输出特性。
电子课件-《电力拖动控制线路与技能训练(第五版)》-A04-1153 课题2 (2)
一．电力晶体管GTR
GTR是一种高击穿电压、大容量的晶体管。它具有 自关断能力,并具有开关时间短、饱和压降低和安全 工作区宽等优点。
六单元GTR 模块
图形符号 二单元模块的等效电路
课题2 变频器中的常用电力半导体器件
（2）GTR模块的主要参数
1)开路阻断电压UCEO ，例如：2DI200D-100 2)集电极最大持续电流ICM ，例如：6DI15Z-120 （3）GTR的选择方法 1）开路阻断电压UCEO的选择 UCEO通常按电源 线电压峰值的2倍来选择。UCEO 2 2UL 2)集电极最大持续电流ICM的选择 ICM通常按输出 交流线电流峰值的2.25倍来选择。 ICM 2.25IN
课题2 变频器中的常用电力半导体器件
二．绝缘栅双极晶Байду номын сангаас管IGBT
IGBT是MOSFET和GTR相结合的产物,其主体部分 与GTR相同，也有集电极和发射极,但驱动部分却 和MOSFET相同,是绝缘栅结构。
六单元IGBT
图形符号
基本电路
课题2 变频器中的常用电力半导体器件
1.IGBT的特点 IGBT在外形上有模块型和芯片型两种,在通用变频 器中使用的IGBT一般是模块型。
单管模块 双管模块
六管模块
课题2 变频器中的常用电力半导体器件
2.IGBT的主要参数 1）集电极—发射极额定电压UCES。 2）栅极—发射极额定电压UGES。 3）额定集电极电流IC。
课题2 变频器中的常用电力半导体器件
三．智能电力模块器件IPM
IPM的主要特点如下: （1）内含设定了最佳的IGBT驱动条件的驱动电路。 （2）内含完善的保护功能及相应的报警输出信号。 （3）内含制动电路。 （4）散热效果良好。
2021年 9实验十七 SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性实验V3.1版
实验十七 SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性实验一、实验目的1掌握各种电力电子器件的工作特性。
2掌握各器件对触发信号的要求。
二、实验所需挂件及附件三、实验线路及原理将电力电子器件包括SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT 五种和负载电阻R串联后接至直流电源的两端，由DJK06上的给定为新器件提供触发电压信号，给定电压从零开始调节，直至器件触发导通，从而可测得在上述过程中器件的V/A特性；图中的电阻R用DJK09 上的可调电阻负载，将两个90Ω的电阻接成串联形式，最大可通过电流为；直流电压和电流表可从DJK01电源控制屏上获得，五种电力电子器件均在DJK07挂箱上；直流电源从电源控制屏的输出接DJK09上的单相调压器，然后调压器输出接DJK09上整流及滤波电路，从而得到一个输出可以由调压器调节的直流电压源。
实验线路的具体接线如下列图所示：图3-26 新器件特性实验原理图四、实验内容1晶闸管〔SCR〕特性实验。
2可关断晶闸管〔GTO〕特性实验。
3功率场效应管〔MOSFET〕特性实验。
4大功率晶体管〔GTR〕特性实验。
5绝缘双极性晶体管〔IGBT〕特性实验。
五、预习要求阅读电力电子技术教材中有关电力电子器件的章节。
六、思考题各种器件对触发脉冲要求的异同点？七、实验方法1按图3-26接线，首先将晶闸管〔SCR〕接入主电路，在实验开始时，将DJK06上的给定电位器ROSFET〕，重复上述步骤，并记录数据。
4按下控制屏的“停止〞按钮，换成大功率晶体管〔GTR〕，重复上述步骤，并记录数据。
5按下控制屏的“停止〞按钮，换成绝缘双极性晶体管〔IGBT〕，重复上述步骤，并记录数据。
八、实验报告根据得到的数据，绘出各器件的输出特性。
九、考前须知1可参考实验六的考前须知 1。
2为保证功率器件在实验过程中防止功率击穿，应保证管子的功率损耗即功率器件的管压降与器件流过的电流乘积小于8W。
3为使GTR特性实验更典型，其电流控制在以下。
《电力电子技术》讲义第05章
项目三开关电源的组装与调试【学习目标】1．掌握开关电源主要器件（大功率晶体管GTR、功率场效应晶体管MOSFET）的工作原理和特性。
2．掌握DC/DC变换电路的基本概念和工作原理。
3．熟悉PC主机开关电源典型故障现象及检修方法。
4. 制作一个单端反激式开关电源。
实例开关电源电路开关电源是一种高效率、高可靠性、小型化、轻型化的稳压电源，是电子设备的主流电源。
广泛应用于生活、生产、军事等各个领域。
各种计算机设备、彩色电视机等家用电器等都大量采用了开关电源。
图3-1是常见的PC主机开关电源。
图3-1 PC主机开关电源PC主机开关电源的基本作用就是将交流电网的电能转换为适合各个配件使用的低压直流电供给整机使用。
一般有四路输出，分别是+5V、-5V、+12V、-12V。
开关电源的原理框图如图3-2所示，输入交流电，经过滤波，再由整流桥整流后输出高压直流电，然后由功率开关电路将直流电压变成连续的脉冲，再经变压器隔离降压及输出滤波后变为低压的直流电。
开关电路的导通与截止由PWM控制电路发出的驱动信号控制。
PWM驱动电路在提供开关管驱动信号的同时，还要实现输出电压稳定的调节、对电源负载提供保护。
为此设有检测放大电路、过电流保护及过电压保护等环节。
通过自动调节开关管导通时间的比例（占空比）来实现。
图3－2 开关电源的原理框图。
由高压直流到低压多路直流的电路称DC/DC变换，是开关电源的核心技术。
图3－3为PC主机开关电源电路原理图。
图3－3 P C 主机开关电源电路原理图课题一全控型电力电子器件在开关电源中使用的开关器件有许多如：场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT，在小功率开关电源上也使用大功率晶体管GTR，本实例中使用的是GTR，这些都属于全控型电力电子器件，本项目中介绍GTR和MOSFET两种器件，IGBT在项目四中介绍。
一、大功率晶体管GTR1. 大功率晶体管的结构和工作原理(1) 基本结构通常把集电极最大允许耗散功率在1W以上，或最大集电极电流在1A以上的三极管称为大功率晶体管，其结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。
功率晶体管(GTR)的特性
功率晶体管〔GTR〕的特性功率晶体管〔GTR〕具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好、平安工作区宽等优点。
但存在二次击穿问题和耐压难以提高的缺点，阻碍它的进一步开展。
—、结构特性1、结构原理功率晶体管是双极型大功率器件，又称巨型晶体管或电力勗体管，简称GTR。
它从本质上讲仍是晶体管，因而工作原理与一般晶体管相同。
但是，由于它主要用在电力电子技术领域，电流容量大，耐压水平高，而且大多工作在开关状态，因此其结构与特性又有许多独特之处。
对GTR的要求主要是有足够的容量、适当的增益、较高的速度和较低的功耗等。
由于GTR电流大、功耗大，因此其工作状况出现了新特点、新问题。
比方存在基区大注入效应、基区扩展效应和发射极电流集边效应等，使得电流增益下降、特征频率减小，导致局部过热等，为了削弱这种影响，必须在结构上采取适当的措施。
目前常用的GTR器件有单管、达林顿管和模块三大系列。
三重扩散台面型NPN结构是单管GTR的典型结构，其结构和符号如图1所示。
这种结构的优点是结面积较大，电流分布均匀，易于提高耐压和耗散热量；缺点是电流增益较低，一般约为10~20g。
图1、功率晶体管结构及符号图2、达林顿GTR结构(a)NPN-NPN型、(b)PNP-NPNxing达林顿结构是提高电流增益的一种有效方式。
达林顿GTR由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP或NPN型，如图2所示，其中V1为驱动管，可饱和，而V2为输出管，不会饱和。
达林顿GTR的电流增益β大大提高，但饱和压降VCES也较高且关断速度较慢。
不难推得IC=ΒIB1.VCES= VCES1+VCES2〔其中β≈β1β2〕目前作为大功率开关应用最多的是GTR模块。
它是将单个或多个达林顿结构GTR及其辅助元件如稳定电阻、加速二极管及续流二极管等，做在一起构成模块，如图3所示。
为便于改善器件的开关过程或并联使用，有些模块的中间基极有引线引出。
GTR模块结构紧凑、功能强，因而性能价格比大大提高。
电力晶体管(GTR)特性研究
电力晶体管(GTR)特性研究一．实验目的1．熟悉(GTR)的开关特性与二极管的反向恢复特性及其测试方法2．掌握GTR缓冲电路的工作原理与参数设计要求二．实验内容1．不同负载时的GTR开关特性测试。
2．不同基极电流时的开关特性测试。
3．有与没有基极反压时的开关过程比较。
4．并联冲电路性能测试。
5．串联冲电路性能测试。
6．二极管的反向恢复特性测试。
三．实验线路见图2—1四．实验设备和仪器1．NMCL-07电力电子实验箱中的GTR与PWM波形发生器部分2．双踪示波器3．万用表4．教学实验台主控制屏五．实验方法1．不同负载时GTR开关特性测试（1）电阻负载时的开关特性测试GTR单元的开关S1合向“ ”，将GTR单元的输入“1”与“6”分别与PWM波形发生器的输出“1”与“2”相连，再分别连接GTR单元的“3”与“5”，“9”与“7”，“15”、“16”与“19”，“29”与“21”，以及GTR单元的“8”、“11”、“18”与主回路的“4”，GTR单元的“22”与主回路的“1”，即按照以下表格的说明连线。
用示波器观察，基极驱动信号i b（“19”与“18”之间）及集电极电流i c（“21”与“18”之间）波形，记录开通时间t on，存贮时间t s、下降时间t f。
t on= us，t s= us，t f= us（2）电阻、电感性负载时的开关特性测试除了将主回器部分由电阻负载改为电阻、电感性负载以外（即将“1”与“22”断开而将“2”与“22”相连)，其余接线与测试方法同上。
t on= us，t s= us，t f= us2．不同基极电流时的开关特性测试（1）基极电流较小时的开关过程断开GTR单元“16”与“19”的连接，将基极回路的“15”与“19”相连，主回路的“1”与GTR 单元的“22”相连，其余接线同上，测量并记录基极驱动信号ib（“19”与“18”之间）及集电极电流ic（“21”与“18”之间）波形，记录开通时间t on，存贮时间t s、下降时间t f。
GTR (2)
理想的基极 驱动电流波形
3、GTR驱动电路实例
1）抗饱和电路
3、具有自保护功能的基极驱动电路
（1）信号隔离电路 ：V1、B （2）工作状态检测与信号综合电路 ：VD、LM311 （3）输出级： V4 、 V5 、 V6 、VD7
4．GTR的双电源驱动电路
图1.9.8 双电源驱动电路
UAA4002组成的GTR驱动电路
四、 GTR驱动电路
1、驱动电路的基本任务：
• 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换 为加在电力电子器件控制端和公共端之间、可以使其开通 或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关
断控制信号。
在高压变换电路中，需要在控制系统和主电路之间进 行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来实现。
电力电子器件分类
不控型器件
按开关控制性能分 半控型器件 全控型器件 单极型 功率MOSFET SIT（静电感应晶体管） GTR 按参与导电的载流子不同 双极型 混合型 GTO SITH（静电感应晶闸管） IGBT
MCT（MOS控制晶闸管）
一、电力晶体管及其工作原理
•
与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。
GTR的主要参数 GTR的主要参数有：电流放大倍数b、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极 间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff。 此外还有： 1\最高工作电压 :GTR上电压超过规定值时会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身特性 有关，还与外电路接法有关： BUcbo> BUcex> 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 :通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic。实际使 用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。 3\集电极最大耗散功率PcM :最高工作温度下允许的耗散功率GTR的二次击穿现象与安全 工作区。 1）一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。只要Ic不超过限度，GTR一 般不会损坏，工作特性也不变。 2）二次击穿 一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立 即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。 3）安全工作区（Safe Operating Area——SOA） 最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。
1.2门极可关断晶闸管GTO 4.2 大功率晶体管GTR
直流负载线
9
2. GTO的特定参数
1． 最大可关断阳极电流IATO
IATO也是GTO的额定电流。 GTO的阳极电流 IA过大时，管子饱和加深，
导致门极关断失败，因此，GTO必须规定一个最
大可关断阳极电流IATO，也就是管子的铭牌电流。
IATO与管子电压上升率、工作频率、反向门极电
流峰值和缓冲电路参数有关，在使用中应予以 注意。
能控制较大的电流和较高的电压；
电力三极管由于结构所限其耐压难于超过1500V，现今商品 化的电力三极管的额定电压、电流大都不超过1200V、 800A; 逐步被其他全控型电力电子器件（特别是IGBT和 MOSFET），趋于淘汰
22
1.
GTR的极限参数
(1)．集电极最大电流ICM(最大电流额定值)
（MOSFET） 、绝缘栅双极晶体管（IGBT）
2
电力电子器件的分类
按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：
半控型器件
——通过控制信号可以控制其导通而不能控制
其关断，晶闸管是典型的半控型电力电子器件。 全控型器件 ——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关 断，又称自关断器件，GTO、GTR等。
不能自关断与开关速度慢的缺点。其电气符号与普通晶
体管相同。
GTR是一种双极型大功率高反压晶体管，具有自关
断能力，控制方便，开关时间短，高频特性好，价格低
廉。可用于不停电电源、中频电源和交流电机调速等电
力变流装臵中。
20
图4-5 1300系列GTR的外观
21
电力三极管的主要特点
是电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力三极管的开通 和关断； 开关速度较快； 饱和压降较低； 有二次击穿现象；
电力晶体管GTR精品PPT课件
电力晶体管（GTR）
5.1 GTR的结构和工作原理 5.2 GTR的基本特性 5.3 GTR的主要参数 5.4 GTR的驱动
5.1
GTR的结构和工作原理
➢ 术语用法：
• 电力晶体管（Giant TransistRr——GTR，直译为巨 型晶体管）
• 耐高电压、大电流的晶体管（BipRlar JunctiRn TransistRr——BJT），英文有时候也称为PRwer BJT。
饱和区
Ic 放大区
ib3 ib2
ib1 ib1<ib2<ib3
截止区 O
Uce 图1-16
图5.2 共发射极接法时GTR的输出特性
5.2
GTR的基本特性
(2) 动态特性
➢ 开通过程
ib
Ib1
90%Ib1
• 延迟时间td和上升时间tr， 二者之和为开通时间ton。
• 增大ib的幅值并增大dib/dt， 可缩短延迟时间，同时可缩 短上升时间，从而加快开通 过程 。
➢ GTR上电压超过规定值时会发生击穿
➢ 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。
➢ 实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比UceR低得多。
5.3
GTR的主要参数
2) 集电极最大允许电流IcM
➢ 通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic ➢ 实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。
10%Ib1 0
t Ib2
ic 90%Ics
ton
td tr
Ics
toff
ts
tf
10%Ics 0
t0 t1 t2
t3
t4 t5
电力电子电源技术及应用1.2 电力晶体管GTR
驱动电路举例
D2 A
I
C D1
B
D3
IB
GTR
D4 E
贝克箝位电路
C
D1为箝位二极管，保证GTR始 终处于准饱和状态。
D1
D2
D2和D3用来调整GTR的基极电
4.动态参数
开关时间：GTR的开关时间通常在几毫秒 之内。 电压上升率du/dt：为了抑止过高的du/dt 对GTR的危害，一般在集射极间并联一个 （RCD）缓冲网络。 开关损耗：GTR的开关损耗由开关过程中 集电极电流与电压的乘积决定。它的大小 与负载性质有关。
5.二次击穿与安全工作区
二次击穿特性：集射极间最高工作电压BUCEO，又 称为一次击穿电压值，发生一次击穿时不一定引起 晶体管特性变坏。所谓二次击穿是指器件发生一次 击穿后，集电极电流继续增加，在某电压电流点产 生向低阻抗区高速移动的负阻现象。二次击穿用符 号SB表示。二次击穿时间在纳秒至微秒数量级之内， 即使在这样短的时间内，它也能使器件内出现明显 的电流集中和过热点。
6.驱动电路举例
iB
3
2 IB1
1 IB2
-1
2us
-2 -3
5us t(us)
IB3
比较理想的基极驱动电流波形
IB1为过驱动电流，作用是保证GTR快速开通； IB2是GTR维持导通的驱动电流，应使GTR恰好维 持准饱和状态，以便缩短存储时间tS； 一般情况下，IB1≈3 IB2 IB3为快速抽走基区中载流子的电流，作用是缩短 关断时间，减小关断损耗。
3.极限参数
GTO与GTR
2.4 典型全控型器件（第三讲）GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。
2.4.1门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管：是晶闸管的一种派生器件，属于电流驱动型器件，可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。
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。
1、GTO的结构和工作原理结构：与普通晶闸管的相同点是PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极，符号如图1所示。
GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。
GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。
2、GTO的动态特性开通过程：与普通晶闸管相同。
关断过程：与普通晶闸管有所不同，开通和关断过程电流波形如图2所示。
图1 GTO的元件符号图图2开通和关断过程电流波形（1）储存时间t s，使等效晶体管退出饱和。
（2）下降时间t f。
（3）尾部时间t t，残存载流子复合时间。
通常t f比t s小得多，而t t比t s要长；门极负脉冲电流幅值越大，t s越短。
3、GTO的主要参数许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。
（1）开通时间t on ：延迟时间与上升时间之和。
延迟时间一般约1~2μs ，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。
（2）关断时间t off ：一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。
下降时间一般小于2μs 。
不少GTO 都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联 。
（3）最大可关断阳极电流I ATO ：GTO 器件额定电流。
（4）电流关断增益βoff ：最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值I GM 之比称为电流关断增益：I I GMATO off =β βoff 一般很小，只有5左右，这是GTO 的一个主要缺点。
1000A 的GTO 关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。
第5章 电力晶体管GTR
C1 R 3 R4 R2 VT 1 R1 VD1 C2 VD2 R6 R8 VD3 R10 R 11 VD4 VT3 VD 6 R12 VT 2 R14
U CC
ui
_
A
B 311 C +
R9
VD7 VT 4
E
D
VD 5 C3
GTR VT5 R15
VD8
R5
R7 R13
U CC
5.4
GTR的驱动电路
该电路采用了自适应驱动方式，它由跨接在GTR集电极和晶体管VT5 基极之间的二极管VD7来实现。当GTR导通后，E点电位低于D点电位时， VD7导通。由于VD7的分流作用使VT5的基极电流下降，导致GTR的基极 驱动电流下降，GTR饱和程度减小，进而又使E点电位回升。由于VD7的 管压降与VT5发射结压降近似相等，所以通过以上的自动调节过程使GTR 的 ，即在 U ce U be0.7V左右，由此来保证GTR工作于准饱和区。
5.4
GTR的驱动电路
2）集成化基极驱动电路
由分立元件组成的基极驱动电路都存在着电路组件多、电路复杂、 稳定性差和使用不便等缺点。 大规模集成化基极驱动电路的出现不但解决了这些问题，同时还增
加了电路保护功能。 UAA4002是法国THOMSON公司生产的专业集成化基极驱动电路芯片，
是大规模集成化基极驱动电路的典型代表。 它的完善的设计使其可对被驱动的电力晶体管实现过电流、最大导通 时间、最小导通时间、欠饱和、过饱和及驱动电源正负电压欠电压保护和 芯片自身工作温度的检测和保护等功能。
1）由分立元件组成的驱动电路
+15V
C1 R 3 R4 R2 VT 1 R1 VD1 C2 VD2 R6 R8 VD3 R10 R 11 VD4 VT3 VD 6 R12 VT 2 R14
电力电子半导体器件(GTR)
3．集电极电压上升率dv/dt对GTR的影响 ．集电极电压上升率 对 的影响 用于桥式变换电路时， 当GTR用于桥式变换电路时，如图： 用于桥式变换电路时 如图：
C1 B1 E1 C
2
B2
E2
dv/dt产生的过损耗现象严重威胁器件和电路安全；当基极 产生的过损耗现象严重威胁器件和电路安全； 产生的过损耗现象严重威胁器件和电路安全 开路时， 通过集电结寄生电容产生容性位移电流， 开路时， dv/dt通过集电结寄生电容产生容性位移电流，注入 通过集电结寄生电容产生容性位移电流 发射结形成基极电流，放大β倍后，形成集电极电流， 发射结形成基极电流，放大β倍后，形成集电极电流，使GTR 进入放大区，因瞬时电流过大引起二次击穿。 GTR换流关断 进入放大区，因瞬时电流过大引起二次击穿。在GTR换流关断 dv/dt会引起正在关断的GTR误导通 造成桥臂直通。 会引起正在关断的GTR误导通， 时，dv/dt会引起正在关断的GTR误导通，造成桥臂直通。 抑制dv/dt，可在集射极间并联RCD缓冲网络进行吸收。 ，可在集射极间并联 缓冲网络进行吸收。 抑制 缓冲网络进行吸收
三、单管GTR 单管
采用三重扩散，台面型结构；可靠性高， 采用三重扩散，台面型结构；可靠性高，对二次击穿特性 有改善，易于提高耐压，易于耗散体内热量。 有改善，易于提高耐压，易于耗散体内热量。 增加N 漂移区，由它的电阻率和厚度决定器件阻断能力， 增加N-漂移区，由它的电阻率和厚度决定器件阻断能力， 但阻断能力提高，使饱和导通电阻增大，电流增益降低。 但阻断能力提高，使饱和导通电阻增大，电流增益降低。 一般： 10—20 一般： β 约10 20 工作状态：开关状态（导通、截止；开通、关断） 工作状态：开关状态（导通、截止；开通、关断）
电力晶体管(GTR)
电力晶体管（GTR）电力晶体管（GTR）术语用法：电力晶体管（Giant Transistor—GTR，直译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor—BJT），英文有时候也称为Power BJT在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和功率MOSFET取代1. GTR的结构和工作原理基本原理与普通的双极结型晶体管是一样的主要特性是耐压高、电流大、开关特性好通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成分为NPN和PNP两种结构，一般为NPN结构，PNP结构耐压低，2. GTR的基本特性（1）静态特性共发射极接法时的典型输出特性分为：截止区、有源区（放大区）和饱和区电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区。
在截止区和饱和区之间过渡时，要经过有源区UCEO为基极开路时集、射极之间的击穿电压；UCES为基极和发射极短接时集、射极之间的击穿电压；UCEX为发射极反偏时集、射极之间的击穿电压；UCBO为发射极开路时集电极与基极之间的击穿电压（a）GTR共射接法（b）共射接法输出特性（a）截止区（又称阻断区）iB＝0，开关处于断态GTR承受高电压而仅有极小的漏电流存在集电结反偏UBC<0，发射结反偏UBE<0 ；或集电结反偏UBC<0 ，发射结偏压为零UBE=0（b）有源区（又称放大区或线性区）iC与iB之间呈线性关系，特性曲线近似平直UBC<0，UBE>0对于工作于开关状态的GTR来说，应当尽量避免工作于有源区，否则功耗很大，要快速通过有源区，实现截止与饱和之间的状态转换。
（c）饱和区开关处于通态，iB变化时，iC不再随之变化导通电压和电流增益均很小UBC>0，UBE>0（d）准饱和区指有源区与饱和区之间的一段区域，即特性曲线明显弯曲的部分iC与iB之间不再呈线性关系，UBC<0，UBE>0 （e）失控区当UCE 超过一定值时，晶体管进入失控区，会导致雪崩击穿。
第5章 电力晶体管GTR
基极之间的二极管VD7来实现。当GTR导通后，E点电位低于D点电位时，
VD7导通。由于VD7的分流作用使VT5的基极电流下降，导致GTR的基极
驱动电流下降，GTR饱和程度减小，进而又使E点电位回升。由于VD7的
管压降与VT5发射结压降近似相等，所以通过以上的自动调节过程使GTR
的
U，ce即 U在be0.7V左右，由此来保证GTR工作于准饱和区。
ts
tf
• 负面作用是会使集电极和发射极间 的饱和导通压降Uces增加，从而增 大通态损耗。
1 0 %Ics 0
t0 t1 t2
t3
t4 t5
t
• GTR的开关时间在几微秒以内，比 图5.3 GTR的开通和图1关-17断过程电流波形
晶闸管和GTO都短很多 。Fra bibliotek5.3
GTR的主要参数
前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射
hFE 。
➢ 单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10
左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。
5.2
GTR的基本特性
(1) 静态特性
➢ 共发射极接法时的典型 输出特性：截止区、放 大区和饱和区。
➢ 在电力电子电路中GTR 工作在开关状态，即工 作在截止区或饱和区
➢ 在开关过程中，即在截 止区和饱和区之间过渡 时，要经过放大区
VD 1
C
A
VD 2 VD 3 B
GTR
E
VD 4
图5.5 贝克钳位电路
➢ 二极管VD1称为钳位二极管，它相当于一个溢流阀的作用，使过量的输 入驱动电流不会全部流入GTR的基极，而经VD1分路至GTR的集电极一 部分，从而保证GTR始终处于准饱和状态。
4 SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT 特性实验报告
实验报告课程名称：现代电力电子技术实验项目：SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT 特性实验实验时间：实验班级：1总份数：指导教师：朱鹰屏自动化学院电力电子实验室二〇〇年月日广东技术师范学院实验报告学院：自动化学院专业：电气工程及其自动化班级：成绩：姓名：学号：组别：组员：实验地点：电力电子实验室实验日期：指导教师签名：实验（二）项目名称：SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT 特性实验1.实验目的和要求(1)掌握各种电力电子器件的工作特性。
(2)掌握各器件对触发信号的要求。
2.实验原理将电力电子器件(包括SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT五种)和负载电阻R串联后接至直流电源的两端，由DJK06上的给定为新器件提供触发电压信号，给定电压从零开始调节，直至器件触发导通，从而可测得在上述过程中器件的V/A特性；图中的电阻R用DJK09 上的可调电阻负载，将两个90Ω的电阻接成串联形式，最大可通过电流为1.3A；直流电压和电流表可从DJK01电源控制屏上获得，五种电力电子器件均在DJK07挂箱上；直流电源从电源控制屏的输出接DJK09上的单相调压器，然后调压器输出接DJK09上整流及滤波电路，从而得到一个输出可以由调压器调节的直流电压源。
实验线路的具体接线如下图所示：图3-26 新器件特性实验原理图3.主要仪器设备4.实验内容及步骤实验内容：(1)晶闸管（SCR）特性实验。
(2)可关断晶闸管（GTO）特性实验。
(3)功率场效应管（MOSFET）特性实验。
(4)大功率晶体管（GTR）特性实验。
(5)绝缘双极性晶体管（IGBT）特性实验。
实验步骤：(1)按图3-26接线，首先将晶闸管（SCR）接入主电路，在实验开始时，将DJK06上的给定电位器RP1沿逆时针旋到底，S1拨到“正给定”侧，S2拨到“给定”侧，单相调压器逆时针调到底，DJK09上的可调电阻调到阻值为最大的位置；打开DJK06的电源开关，按下控制屏上的“启动”按钮，然后缓慢调节调压器，同时监视电压表的读数，当直流电压升到40V时，停止调节单相调压器(在以后的其他实验中，均不用调节)；调节给定电位器RP1，逐步增加给定电压，监视电压表、电流表的读数，当电压表指示接近零（表示管子完全导通），停止调节，记录给定电压U g调节过程中回路电流I d以及器件的管压降U v。
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功率晶体管（GTR）的特性
功率晶体管（GTR）具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好、安全工作区宽等优点。
但存在二次击穿问题和耐压难以提高的缺点，阻碍它的进一步发展。
—、结构特性
1、结构原理
功率晶体管是双极型大功率器件，又称巨型晶体管或电力勗体管，简称GTR。
它从本质上讲仍是晶体管，因而工作原理与一般晶体管相同。
但是，由于它主要用在电力电子技术领域，电流容量大，耐压水平高，而且大多工作在开关状态，因此其结构与特性又有许多独特之处。
对GTR的要求主要是有足够的容量、适当的增益、较高的速度和较低的功耗等。
由于GTR电流大、功耗大，因此其工作状况出现了新特点、新问题。
比如存在基区大注入效应、基区扩展效应和发射极电流集边效应等，使得电流增益下降、特征频率减小，导致局部过热等，为了削弱这种影响，必须在结构上采取适当的措施。
目前常用的GTR器件有单管、达林顿管和模块三大系列。
三重扩散台面型NPN结构是单管GTR的典型结构，其结构和符号如图1所示。
这种结构的优点是结面积较大，电流分布均匀，易于提高耐压和耗散热量；缺点是电流增益较低，一般约为10~20g。
图1、功率晶体管结构及符号
图2、达林顿GTR结构
(a)NPN-NPN型、(b)PNP-NPNxing
达林顿结构是提高电流增益的一种有效方式。
达林顿GTR由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP或NPN型，如图2所示，其中V1为驱动管，可饱和，而V2为输出管，不会饱和。
达林顿GTR的电流增益β大大提高，但饱和压降VCES也较高且关断速度较慢。
不难推得
IC=ΒIB1.VCES= VCES1+VCES2（其中β≈β1β2）
目前作为大功率开关应用最多的是GTR模块。
它是将单个或多个达林顿结构GTR及其辅助元件如稳定电阻、加速二极管及续流二极管等，做在一起构成模块，如图3所示。
为便于改善器件的开关过程或并联使用，有些模块的中间基极有引线引出。
GTR模块结构紧凑、功能强，因而性能价格比大大提高。
图3、GTR模块的等效电路
2、特性参数
1)输出特性与电流增益
GTR的共射极输出特性如图4所示。
可分为四个区，即：阻断区、线性区、准饱和区及深饱和区。
用作开关时，应尽量避免工作于线性区，否则功耗很大。
进入深饱和区，虽功耗小，但关断时间长且安全工作区变窄.因此一般工作于准饱和区。
饱和压降VCES是一重要参数，它越小，GTR的功耗越小。
VCES随IC和温度的增加而增大。
图4、共射极电路输出特性
GTR的共射极电流增益β随集电极电流IC和结温Ti变化，如图5所示。
可见，大电流时沒下降，限制了 GTR的电流容量。
图5、β~IC关系曲线
2)开关特性
开关过程可分四个阶段：开通过程、导通状态、关断过程、阻断状态。
GTR开关过程的电流波形如图6所示。
其中，开通时间ton包括延迟时间td和上升时间tc，关断时间toff 包括存储时间ts和下降时间ti。
一般开关时间越短，工作频率越高。
为缩短开通时间，可选
结电容小的管子或提高驱动电流的幅值和陡度。
为缩短关断时间，可选β小的管子，防止深饱和，增加反偏电流等。
图6、GTR开关过程的电流波形
电压上升率dv/dt和电流上升率di/dt会影响开关过程。
为防止过高的dv/dt或di/dt对GTR造成危害，一般应加接缓冲电路。
3)二次击穿与安全工作区
二次击穿是集-射电压突然变低而电流激增的现象。
GTR的二次击穿特性如图7所示，包括发射结正偏、开路和反偏三种情况。
其中正偏二次击穿对GTR的威胁最大。
图7、GTR的二次击穿特性
安全工作区SOA是指GTR能够安全运行的电流、电压、功耗的极限范围，分为正偏安全工作区和反偏安全工作区，如图8所示。
其中正偏安全工作区受最大集电极电流ICM、最大耐压BVCEO、最大允许功耗PCM和二次击穿触发功率PS/B的限制。
DC为直流情况，虚线为脉冲情况，反向偏置安全工作区受最大集电极电流、集-射维持电压和二次击穿功率的限制。
来自海洋兴业仪器。
图8、正偏安全工作区
4)其他特性参数
主要有集电极电压最大值、发射极电压最大值、集电极电流最大值ICM、基极电流最大值IBM、最大功耗PCM、最高结温TIM等。
由干各参数均受温度影响，因此应采取有效散热措施，确保GTR结温不超过规定值。