几种全控型晶体管讲解
全控型电力电子器件
GTO的关断机理： 在双晶体管等效模型中，利用门 极负电流分流IC1，并快速抽取 V2管发射结侧载流子，以实现快 速关断 GTO优点：电压、电流容量大，适用于大 功率场合，具有电导调制效应，其通流能 力很强；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（Giant Transistor—GTR）
GTR是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管，电流驱动型全控器件。
GTR关断原理： 开通时，Uce正偏，提供基极电流； 关断时，I b小于等于零。 开通和关断可由基极电流来控制，故称为全控型器件和电流型驱动器件。
GTR优点：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低 缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率电路复杂，存在二次击穿问题
4.绝缘栅极晶体管（IGBT）
复合型器件，将GTR双极型电流驱动器件和电力MOSFET 单极型电压驱动器件结合。综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。
关断原理：IGBT是一种压控器件。其C-E间主电流的通断是由栅极和射极间的电压 uGE的高低决定的。 E极为公共端。 IGBT优点：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低， 输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点：开关速度低于电力MOSFET,电压， 电流容量不及GTO
3.电力场效应管绝缘栅型中的MOS型 （Metal Oxide Semiconductor FET）
关断原理：以G-S间施加电压的高低来控制D-S间主电流的通断。源极S为公共端。 门极几乎不取用电流，属压控器件。uGS正电压超过开启电压时导通，负电压作 用可使其快速关断。 优点：开关频率最高；驱动电流小，易驱动；通态电阻具有正温度系数（有利于器件 并联均流）；缺点：电压电流容量较小；通态压降较大，ID大则压降随之增大。
全控型电力半导体器件
问题的提出¾为什么要开发全控型器件？¾半控型器件有哪些限制？在很多情况下，如何将器件关断是一个突出的问题。
¾对关断要求不高，或有其他很有效的方法关断器件时，半控型器件是合适的。
¾反之，就需要全控型器件。
¾5.1 门极可关断晶闸管（GTO）¾5.2 电力晶体管（GTR、PRT）¾5.3 电力场效应晶体管（P-MOSFET）¾5.4 绝缘栅双极晶体管（IGBT）¾5.5 其他全控型电力电子器件¾5.6 模块和智能功率模块（IPM）¾5.7 电力电子技术发展概貌¾5.8 电力半导体器件和装置的保护门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor-GTO）¾晶闸管的一种派生器件。
¾可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。
¾电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，在兆瓦级以上的大功率场合有较多应用ABB 5SGA 30J2501可看成多个小的这些小的SCR结单元一个单元极是被门极包围的条状阴极的宽度越窄，通态电流越容易被关断¾阴极面积太大结论¾GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。
9SCR深度饱和(1.15)，GTO临界饱和(稍大于1)¾GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。
¾多元集成结构使得GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。
5.2 GTO的特性和参数大部分参数和SCR一样或类似，除了：¾门极关断电流I：指GTO从通态转为断GM态所需的门极反向瞬时峰值电流的最小值。
注意：¾GTO管压降要大些，直流通态损耗也大些。
¾GTO的关断是由门极负脉冲完成的，所以门极功耗要大些。
GTO的基本缓冲电路1）GTO 开通和关断时的波形开通时间t on =t d +t r¾t d ——触发延迟时间为门极触发电流从0.1I FGM 上升开始，至GTO 开始导通、阳极电压下降至0.9U d 的时间间隔。
不同类型晶体管的区别和特点
不同类型晶体管的区别和特点晶体管是一种电子器件，用于控制电流通过的开关。
根据其结构和材料特性的不同，晶体管可以分为多种类型，每种类型都具有不同的特点和应用领域。
一、晶体管的分类根据材料类型的不同，晶体管可以分为两大类：硅基晶体管和化合物半导体晶体管。
1. 硅基晶体管硅基晶体管是最常见的晶体管类型，其主要由硅材料制成。
硅材料具有丰富的资源、制造工艺成熟、价格低廉等优点，因此硅基晶体管是最广泛应用的晶体管类型。
硅基晶体管又可分为三类：NPN型、PNP型和MOS型。
（1）NPN型晶体管：NPN型晶体管是最常见的硅基晶体管类型。
其结构由两个N型半导体夹一个P型半导体构成，中间的P型半导体称为基区。
NPN型晶体管通常用于放大电路和开关电路，其特点是集电极和发射极之间的电流放大倍数高，适用于高频和高速的电路。
（2）PNP型晶体管：PNP型晶体管与NPN型晶体管结构相反，由两个P型半导体夹一个N型半导体构成。
PNP型晶体管与NPN型晶体管的工作原理及应用领域相似，但由于电流流动的方向相反，其极性也相反。
（3）MOS型晶体管：MOS型晶体管（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种基于金属-绝缘体-半导体结构的晶体管。
它的主要特点是电流消耗小，输入电阻高，适用于低功耗和高速的电路。
MOS型晶体管广泛应用于数字电路和微处理器等领域。
2. 化合物半导体晶体管化合物半导体晶体管由多种化合物材料构成，如砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）等。
与硅基晶体管相比，化合物半导体晶体管具有更高的载流子迁移率和更好的高频特性，因此在高频和高速电路中具有广泛的应用。
化合物半导体晶体管主要有以下几种类型：HBT、HEMT和MESFET。
（1）HBT（异质结双极型晶体管）：HBT是由不同的材料构成的异质结构，常见的是砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）的组合。
HBT具有高迁移率和高频特性，适用于高速数字电路和射频放大器等领域。
（2）HEMT（高电子迁移率晶体管）：HEMT是一种基于异质结构的晶体管，其材料组合主要是砷化镓（GaAs）和铝镓砷（AlGaAs）。
全控型器件的详细介绍
典型全控型器件的介绍班级学号 :姓名日期一．门极可关断晶闸管1.1门极可关断晶闸管的简介门极可关断晶闸管简称GTO,是一种全控型的晶闸管。
其主要特点为，当栅极加负向触发信号时晶闸管能自行关断，保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。
GTO的容量及使用寿命均超过巨型晶体管（GTR），只是工作频纺比GTR低。
目前，GTO 已达到3000A、4500V的容量。
大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。
1.2门极可关断晶闸管的结构和工作原理GTO是PNPN四层半导体结构，外部引出阳极，阴极和门极，是多元件的功率集成器件，内部由许多的GTO元的阳极和门极并联在一起。
其工作原理可用双晶体管来分析P1N1P1和N1P2N2构成的两个晶体管V1,V2分别具有共基极电流增益α1和α2，普通的晶体管分析，α1+α2=1是器件的临界导电条件，当α1+α2>1时2，当α1+α2<1时不能维持饱和导通而关断。
1.3 GTO的驱动方式及频率当信号要求可关断晶闸管导通时，驱动电路提供上升率足够大的正栅极脉冲电流（其幅度视晶闸管容量不同在0.1到几安培范围内），其正栅极脉冲宽度应保证门极关断晶闸管可靠导通。
当信号要求门极关断晶闸管关断时，驱动电路提供上升率足够大的负栅极脉冲电流，脉冲幅度要求大于可关断晶闸管阳极电流的五分之一，脉冲宽度应大于可关断晶闸管的关断时间和尾部时间。
根据对驱动门极关断晶闸管的特性、容量、应用场合、电路电压、工作频率、可靠性要求和性价比等方面的不同要求，有多种形式的栅极驱动电路。
1.4存在的问题及其最新的发展GTO在使用中，导通时的管压降较大，增加了通态损耗。
对关断负脉冲的要求较高，门极触发电路需要严格设计，否则易在关断过程中烧毁管子。
门极电流应大于元件的擎住电流IL;正负触发脉冲其前沿要陡，后沿要平缓，中小功率电路上升沿小于0.5μs ，大功率电路小于1μs ；门极电路电阻要小，以减小脉冲源内阻由于多元集成，对制造工艺提出极高的要求，它要求必须保持所有GTO元特性一致，开通或关断速度不一致，会使GTO元因电流过大而损坏。
晶体管的分类
晶体管的分类一、晶体管的概述晶体管是一种半导体器件，用于控制电流的流动。
它是现代电子技术中最重要的元件之一，广泛应用于计算机、通信、电源等领域。
晶体管的分类主要根据其结构和工作原理来进行。
二、按结构分类2.1 管腿型晶体管管腿型晶体管是最早的晶体管类型之一，也是最简单的一种。
它由两个金属电极（基极和发射极）和一个半导体材料组成。
管腿型晶体管的结构简单，制造成本低廉，但其性能相对较差，逐渐被新型晶体管取代。
2.2 管芯型晶体管管芯型晶体管是一种改进型的晶体管，它在管腿型晶体管的基础上增加了一个控制电极（集电极）。
管芯型晶体管的结构更加复杂，但由于集电极的引入，其性能得到了显著提升。
管芯型晶体管广泛应用于各个领域，成为了当时最主要的晶体管类型。
2.3 型面型晶体管型面型晶体管是一种新型的晶体管，它采用了型面技术制造。
型面型晶体管结构更加复杂，但具有更好的性能表现。
型面型晶体管在高频率和高功率应用中表现出色，成为了现代电子技术中的重要组成部分。
三、按工作原理分类3.1 NPN型晶体管NPN型晶体管是一种常见的极性型晶体管，它由两个N型半导体材料（发射区和集电区）夹一个P型半导体材料（基区）组成。
NPN型晶体管的工作原理是通过控制基极电流，调节发射极和集电极之间的电流流动，实现信号放大和开关控制。
3.2 PNP型晶体管PNP型晶体管与NPN型晶体管相似，只是材料的类型和极性相反。
PNP型晶体管的工作原理也是通过控制基极电流，调节发射极和集电极之间的电流流动。
PNP型晶体管常用于与NPN型晶体管组合成逻辑门电路和放大电路。
3.3 MOSFET晶体管MOSFET晶体管是一种特殊的晶体管，它采用了金属-氧化物-半导体结构。
MOSFET 晶体管的工作原理是通过控制栅极电压，调节漏极和源极之间的电流流动。
MOSFET 晶体管具有高输入电阻、低功耗和快速开关速度等优点，广泛应用于集成电路和数字电路中。
3.4 JFET晶体管JFET晶体管是一种结构特殊的晶体管，它采用了PN结的结构。
全控型电力电子器件
GTO 的 外 形
电路符号
阳阳A
☞GTO的导通过程与普通 晶闸管是一样的，只不 过导通时饱和程度较浅。 ☞而关断时，给门极加负脉 冲，即从门极抽出电流， 器件退出饱和而关断。 ☞GTO的多元集成结构使 得其比普通晶闸管开通 过程更快，承受di/dt的 能力增强。
阳阳G 阳阳A
2018/12/13
2
1.3.1可关断晶闸管GTO——主要参数
2018/12/13
0.01ms 1ms
另外安全工作区与导通控制 脉冲有关系,如左图，给出不同 宽度的脉冲对应的安全工作区
C D BUCE UCE
11
1.3.3 功率场效应管MOSFET——外型和电路符号和特点
外 型
电 路 符 号
2018/12/13
阳阳D
阳阳G 阳阳S
■分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型 中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称电力MOSFET（Power MOSFET）。 ■电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的， 它的特点有： ◆驱动电路简单，需要的驱动功率小。 ◆开关速度快，工作频率高（可达106）。 ◆热稳定性优于GTR。 ◆电流容量小，耐压低，多用于功率不超过 10kW的电力电子装置。 比较： GTO一般可以做到几KA/KV（功率最大）；开关 速度几百HZ； GTR一般可以做到几百A/KV，速度稍慢，几K到 几百K， MOSFET一般可以做到几十A/KV（速度最快）， 可达106 ；
关断过程
从开始施加反向基极电流到集电极电流开始下降 （下降到90%ICO）对应的时间叫做存储时间ts。接 着是下降时间tf，定义为集电极电流从90%ICO下降 到10%ICO对应的时间。关断时间toff=ts+tf。 GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和 GTO都短很多。
四种典型全控型器件比较
四种典型全控型器件的比较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α2较大，使晶体管V2控 制灵敏。
导通时α1+α 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。
22222、电力晶体管(GTR) 1）电力晶体管的结构：R NPNPNPA G SK E GI G E AI K I c2I c1I A V 1V 2b)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(I b＞0)时大电流导通；反偏(I b＜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 GS大于某一电压值U GS(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。
四种典型的全控型器件
四种典型的全控型器件班级学号：********* 姓名：***日期：2013.10.3四种典型的全控型器件全控型器件：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件，又称为自关断器件。
四种典型全控型器件：只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进行试用。
自70年代中期开始，GTO的研制取得突破，相继出世了1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A的产品，目前已达9kV/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。
(2)大功率晶体管（GTR）GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，产生于本世纪70年代，其门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor—GTO），电力晶体管（Giant Transistor-GTO），电力场效应晶体管（Power MOSFET），绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）。
容量比较：（1）1964年，美国第一次试制成功了500V/10A的GTO。
在此后的近10年内，GTO的容量一直停留在较小水平，额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。
(3)功率MOSFET目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。
(4)绝缘门极双极型晶体管（IGBT）IGBT是由美国GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，当时容量仅500V/20A，且存在一些技术问题。
目前，其研制水平已达4500V/1000A。
开关频率：GTO的延迟时间一般为1～2us;下降时间一般小于2us。
GTR的开关时间一般在几微秒以内，比晶闸管短很多，也短于GTO。
MOSFET的开关时间一般在10--100ns之间。
IGBT的开关时间要低于电力MOSFET。
驱动方式和驱动功率：GTO：电流驱动型，驱动功率大。
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1.3.1 门极可关断晶闸管
■GTO的动态特性
i
◆开通过程与普通晶闸 G
等效晶体管从饱 和区退至放大区，
残存载 流子复
管类似。
阳极电流逐渐减 小时间
合所需 时间
◆关断过程
O
? 储存时间ts
下降时间tf
尾部时间tt
i
而?tt比通t常s要tf长比。ts小得多，
A
I
A
90% I A
抽取饱和导通时 储存的大量载流 子的时间
? 由于 GTO 处于临界饱和状态，用抽走阳极电流的方法破 坏临界饱和状态，能使器件关断。而晶闸管导通之后，处 于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。
11.3、.2阳G极T伏O安的特特性性和主要参数 (简介)
2、开通特性
? 开通时间ton由延迟时间td和上升时间tr组成
3、关断特性
1.3 典型全控型器件
1.3.1 门极可关断晶闸管 1.3.2 功率晶体管 1.3.3 功率场效应晶体管 1.3.4 绝缘栅双极晶体管
1.3 典型全控型器件 ·引言
■门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。 ■20世纪80年代以来，功率电子技术进入了一个 崭新时代。 ■典型代表 ——门极可关断晶闸管、功率晶体管、 功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。
? 储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2? s。
■不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电 压时，应和功率二极管串联使用。
? GTO 也可等效成两个晶体管 P1N1P2和N1P2N2互连 ，GTO 与晶闸管最大区别就是导通后回路增益 α1+α2 数 值 不 同 ， 其 中 α1 和 α2 分 别 为 P1N1P2 和 N1P2N2 的共基极电流放大倍数。晶闸管的回路增 益α1+α2常为 1.15左右，而 GTO 的α1+α2非常接近 1 。因而 GTO 处于临界饱和状态。这为门极负脉冲 关断阳极电流提供有利条件。
增益分别是? 1、? 2。? 1+? 2=1是器件临
界导通的条件，大于 1导通，小于1则 关断。
? GTO 与普通晶闸管的不同
√设计? 2较大，使晶体管V2控制 灵
敏，易于GTO 关断。
√导通时? 1+? 2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。
功率 MOSFET
IGBT 单管及模块
1.3.1 门极可关断晶闸管
■晶闸管的一种派生器件，但
可以通过在门极施加负的脉冲 电流使其关断，因而属于 全控 型器件。
■GTO的结构和工作原理 ◆GTO的结构 ? 是PNPN四层半导体结 构。 ? 是一种多元的功率集成 器件，虽然外部同样引出个 极，但内部则包含数十个甚 至数百个共阳极的小GTO 元，这些GTO元的阴极和门 极则在器件内部并联在一起。
（2）关断过程
? 当GTO 已处于导通状态时，对门极加负的关断脉冲，形 成－ IG ，相当于将 IC1 的电流抽出，使晶体管 N1P2N2的基 极电流减小，使 IC2 和IK 随之减小， IC2 减小又使 IA和IC1 减 小，这是一个正反馈过程。当 IC2和IC1的减小使α1+α2<1时 ，等效晶体管 N1P2N2和P1N1P2退出饱和， GTO 不满足维 持导通条件，阳极电流下降到零而关断。
? GTO的关断特性 (开关电压、电流及门极电流波形)
UA
U AM
0 .9U A
du / dt
(a)
0
UP
图1-16
td tr iA
IA
t
0 .9 I A
di / dt
(b)
0
ts tf
iG
d iG
UG
? 5A / ? s
ig
dt
UG
0
(c)
10 ~ 60 ? s
t
d i G ? 10 A / ? s
图2-14 GTO 的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号
1.3.1 门极可关断晶闸管
图2-8 晶闸管的双晶体管模型 及其工作原理
a) 双晶体管模型 b) 工作原理
◆GTO 的工作原理
? 仍然可以用如图2-8所示的双晶体 管模型来分析，V1、V2的共基极电流
? GTO 的关断过程有三个不同的时间，即存储时间 ts、下降 时间tf及尾部时间tt。
? 存储时间ts ：对应着从关断过程开始，到阳极电流开始下 降到90% IA为止的一段时间间隔。
? 下降时间tf ：对应着阳极电流迅速下降，阳极电压不断上 升和门极反电压开始建立的过程。
? 尾部时间tt ：则是指从阳极电流降到极小值时开始，直到 最终达到维持电流为止的时间。
tt
d
r
t
tt t
s
f
t
? 门极负脉冲电流幅
值越大，前沿越陡， ts
10% I A
就越短。使门极负脉冲
0t t t
0
1
2
t t ttt
3
4
5
6
的后沿缓慢衰减，在tt 阶段仍能保持适当的 负
图2-15 GTO 的开通和关断过程电流波形
电压，则可以缩短尾部
时间。
图1-15
图1-15
图1-15
2、GTO 的工作原理 （1）开通过程
1.3.1 门极可关断晶闸管
? GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的， 只不过导通时饱和程度较浅。
? 而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽 出电流，当两个晶体管发射极电流 IA和IK的
减小使? 1+? 2<1时，器件退出饱和而关断。
? GTO的多元集成结构使得其比普通晶闸管 开通过程更快，承受di/dt的能力增强。
dt
30 ? s
11
? I GM
?
( 8
?
3 ) I AT0
4、主要参数 (简介)
与晶闸管不同的参数。 （1）最大可关断阳极电流IATO
? （2）关断增益? off
? （3）阳极尖峰电压 ? （4）维持电流 ? （5）擎住电流
1.3.1 门极可关断晶闸管
■GTO的主要参数 ◆GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。 ◆最大可关断阳极电流 IATO ? 用来标称GTO额定电流。
◆电流关断增益 ? off
? 最大可关断阳极电流IATO 与门极负脉冲电流最大值IGM之比。
? ?off 一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。
◆开通时间ton ? 延迟时间与上升时间之和。
? 延迟时间一般约1~2? s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而
增大。 ◆关断时间toff
? 一般指储存时间和下降时间之和，而不包括尾部时间。