功率晶体管(GTR)的特性
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。
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。
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；
第5章-电力晶体管GTR
0
I b3
t
图5.4 理想的基极驱动电流波形
5.4
GTR的驱动电路
2、贝克钳位电路.
为了提高GTR的工作速度，都以抗饱和的贝克钳位电路作为基本电路。
它使GTR工作在准饱和状态，提高了器件开关过程的快速性能，因此成为一
1）控制开通GTR时，驱动电流前沿要陡（小于1 s），
并有一定的过冲电流，以缩短开通时间，减小开通损耗。 2）GTR导通后，应相应减小驱动电流，使GTR处于准饱
和导通状态，且使之不进入放大区和深饱和区，以降低 驱动功率，缩短储存时间。 3）GTR关断时，应迅速加上足够大的反向基极电流，迅速 抽取基区的剩余载流子，确保GTR快速关断，并减小关 断损耗。 5）GTR的驱动电路要具有自动保护功能，以便在故障状态
• 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和电力MRSFET取代。
5.1
GTR的结构和工作原理
基极b 发射极c 基极b
P+
N+
P+
P基区
N漂移区
N+衬底
c b
e
集电极c
空穴流 ib
Eb
ic=ib
极间漏电流IceR、集射极间饱和压降Uces、开通时间tRn和关 断时间tRff (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。
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
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。
城市轨道交通车辆电气控制项目二 城轨车辆主传动系统【拓展任务】
②动态特性：
描述GTR开关过程的瞬态性能，又称开关特性。
图2-72 开关过程中ib和ic的波形
GTR在导通和关断状 态下损耗都很小。
在关断和导通的转换 过程中，电流和电压都较 大，随意开关过程中损耗 也较大。
当开关频率较高时， 开关损耗是总损耗的主要 部分。
（2）GTR的极限参数
①最高工作电压 ②集电极最大允许电流IcM ③集电极最大耗散功率PcM ④最高工作结温TJM
电力牵引控制
定义：在轨道交通车辆中，用电动机驱动实现车辆牵引的传动控制方式（电传 动系统）。
作用：它是以牵引电机作为控制对象，通过控制系统对电动机的速度和牵引力 进行调节，满足车辆牵引和制动特性的要求。
类型：直流传动系统：采用直流（脉流）牵引电动机。 交流传动系统：采用交流（同步、异步）牵引电动机。
项目导入：
项目内容：
主要介绍城轨交通车辆各种牵引传动系统组成及控制原理。全 面介绍了主传动设备——直流牵引电动机、三相异步牵引电机和直 线牵引电机的结构、工作原理及其特性。简要介绍了单轨牵引传动 系统的组成特点及应用案例。
详细分析了主传动系统牵引、制动、保护电路。
知识拓展：
介绍城轨交通车辆使用的主要电力电子器件的类型、工作原理 及应用场合，分析城轨车辆整流、斩波和逆变电路的工作原理。
在使GTR关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流。
应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能。
②基极驱动电路
图2-75 实用的GTR驱动电路
③集成化驱动
态。 给GTR的基极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工作状态。
2．GTR的特性与主要参数
（1）GTR的基本特性： ① 静态特性
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
《电力电子技术》测试题及其答案
《电力电子技术》测试题及其答案一、判断题1、表示各种电力半导体器件的额定电流，都是以平均电流表示的。
（错）2、对于门极可关断晶闸管，当门极上加正触发脉冲时可使晶闸管导通，当门极加上足够的负触发脉冲时又可使导通着的晶闸管关断。
（对）3、晶闸管由正向阻断状态变为导通状态所需要的最小门极电流，称为该管的维持电流。
（错）4、在规定条件下，不论流过晶闸管的电流波形如何，也不论晶闸管的导通角是多大，只要通过管子的电流的有效值不超过该管额定电流的有效值，管子的发热就是允许的。
（错）5、三相半波可控整流电路的最大移相范围是0°～180°。
（错）6、无源逆变是将直流电变换为某一频率或可变频率的交流电供给负载使用。
（错）7、正弦波脉宽调制（SPWM）是指参考信号为正弦波的脉冲宽度调制方式。
（对）8、直流斩波器可以把直流电源的固定电压变为可调的直流电压输出。
（错）9、斩波器的定频调宽工作方式，是指保持斩波器通端频率不变，通过改变电压脉冲的宽度来使输出电压平均值改变。
（对）10、电流型逆变器抑制过电流能力比电压型逆变器强，适用于经常要求起动、制动与反转拖动装置。
（对）11、三相桥式全控整流大电感负载电路工作于整流状态时，其触发延迟角的最大移相范围为0°～90°。
（对）12、额定电流为100A的双向晶闸管与额定电流为50A两只反并联的普通晶闸管，两者的电流容量是相同的。
（错）13、晶闸管的正向阻断峰值电压，即在门极断开和正向阻断条件下，可以重复加于晶闸管的正向峰值电压，其值低于转折电压。
（对）14、在SPWM调制方式的逆变器中，只要改变参考信号正弦波的幅值，就可以调节逆变器输出交流电压的大小。
（错）15、在SPWM调制方式的逆变器中，只要改变载波信号的频率，就可以改变逆变器输出交流电压的频率16、若加到晶闸管两端电压的上升率过大，就可能造成晶闸管误导通。
（对）17、晶闸管整流电路中的续流二极管只是起到了及时关断晶闸管的作用，而不影响整流输出电压值及电流值。
常见功率半导体器件及其主要特点
常见功率半导体器件及其主要特点一、概述功率半导体器件是现代电子电气设备中不可或缺的组成部分，它承担着电能的调节、放大和转换任务。
在众多功率半导体器件中，普遍应用的包括晶闸管、场效应管、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、功率二极管等。
这些器件各自具有不同的特点和应用范围，下文将对其进行详细介绍。
二、晶闸管晶闸管是最早出现的功率半导体器件之一，其主要特点包括：1. 器件结构简单，工作可靠。
2. 具有单向导电性。
3. 具有双向触发能力。
4. 适用于高压、大电流场合。
5. 效率高、损耗小。
晶闸管广泛应用于直流调速、大功率变频器、交流电能控制等领域。
三、场效应管场效应管又称为MOSFET，其主要特点包括：1. 体积小、重量轻。
2. 导通电阻小、功率损耗小。
3. 开关速度快、可靠性高。
4. 控制电路简单、使用方便。
场效应管广泛应用于开关电源、电力电子设备、汽车电子系统等领域。
四、绝缘栅双极晶体管（IGBT）IGBT是由绝缘栅双极晶体管和场效应管结合而成的器件，其主要特点包括：1. 具有MOSFET的输入特性和GTR的输出特性。
2. 导通压降低、导通电阻小。
3. 具有高开关速度。
4. 具有大功率、高频率的特点。
IGBT广泛应用于变频调速、逆变器、电动汽车驱动等领域。
五、功率二极管功率二极管是一种常见的半导体器件，其主要特点包括：1. 低开启电压、低通态电压降。
2. 热稳定性好、动态特性好。
3. 寿命长、可靠性高。
4. 具有快速恢复特性。
功率二极管广泛应用于整流器、逆变器、交流稳压电源等领域。
六、结语功率半导体器件在现代工业生产和生活中发挥着重要作用，不同的器件具有不同的特点和应用范围，能够满足各种电能调节、转换的需求。
随着科技的不断发展，功率半导体器件的性能和应用范围将会不断扩大，为人类创造更加便利和高效的生活和工作环境。
七、功率半导体器件的发展趋势随着现代电子技术的发展和能源的需求不断增长，功率半导体器件的应用也愈发广泛。
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、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。
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。
电力电子技术32
GTR的静态特性
Ic
•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。
放大区 i b3 i b2
•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。
O
i b1 ib1<ib2<ib3
截止区
U ce
共发射极接法时GTR的输出特性
哈尔滨工业大学电气工程系
PcM
UceM Uce
文件: 电力电子技术32.6
电力电子技术
功率半导体器件(2)
8.4 电力场效应晶体管
电力MOSFET的结构和工作原理
• 单极型晶体管（只有一种载流子参与导电）,导电 机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。
• 采用多元集成结构。
S
D
D
G
N+ 区
C
I
I
R
V+
J1
C
D N-
C
-+
E
+
IR
G
-D on
C 集电极
E
• N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT。
• IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，增强了通流能力。
• 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿 结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。
ID / A
•漏极电流ID和栅源间电压UGS
50
的关系称为MOSFET的转移特性
。表明栅极电压对漏极电流的
40
控制能力。
30
20
•ID较大时， ID与UGS的
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。
全控型电力电子器件GTR
4) GTR的二次击穿现象与安全工作区
一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。
只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。
二次击穿：一次击穿发生时，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。
常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。
安 全 工 作 区 （ Safe Operating Area——SOA）
3. 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
Ic
和区。
在电力电子电路中GTR工作 在开关状态。
放大区
ib3 ib2 ib1 ib1<ib2<ib3 Uce
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。
截止区 O
图
共发射极接法时GTR的输出 特性
(2) 动态特性
开通过程
ib 90% I b1 10% I b1 0 I b2 t on td tr t off ts tf I b1
延迟时间td 和上升时间tr ， 二者之和为开通时间ton。
t
加快开通过程的办法 。
关断过程
ic 90% I cs 10% I cs 0
I cs
储存时间ts 和下降时间tf ， 二者之和为关断时间toff 。 加快关断速度的办法。 GTR的开关时间在几微秒 以内，比晶闸管和GTO都 短很多 。
双极型功率晶体管BJT的容量水平已达1.8kV／lkA，频率为 20kHz。 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和电力MOSFET取代。
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。
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