第2章 电力晶体管
电力电子技术第2章器件2_SCR
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s
t3 t Q2
• 门极正偏，Q2、Q1导通，再生正 反馈。电流超挚住电流后，门极 脉冲可去。（一维开通）。在低
发射极电流下 是很小的，而当 0 发射极电流建立起来之后， 迅
速增大。
Q1 Von
t
1-15
晶闸管的关断问题
• 导通后因门极面
积远小于阴极，
加负门极电流不 能影响阴极主体， J3
不能关断。
普通晶闸管的关断时间约 几百微秒。
trr URRM tgr
图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形
1-14
晶闸管的开通特性 I A
2 I G I CBO1 I CBO2 1 ( 1 2 )
（2-5）
•
注发t心s:入，射门触靠极极发门位电电极于部流流阴先极使增导晶晶大通片体，以中管
的 致
iA
•
17、儿童是中心，教育的措施便围绕 他们而 组织起 来。上 午8时25 分7秒 上午8时 25分08 :25:072 1.6.14
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1、Genius only means hard-working all one's life. (Mendeleyer, Russian Chemist)
电力晶体管
2.1.2 电力二极管的基本特性
1. 静态特性
主要指其伏安特性
当电力二极管承受的 正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流 才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电 流IF 对应的电力二极管两端的电压UF 即为其正向 电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少 子引起的微小而数值恒定的反向漏电流
2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
Ú ç ¡ Ä µ ³
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PÐ Ç Í ø
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2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理
造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管 区别的一些因素：
• 正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因 而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽 略 • 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响 • 承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的 电感效应也会有较大影响 • 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较 大
2.1.4 电力二极管的主要类型
肖特基二极管的优点
• 反向恢复时间很短（10~40ns） • 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲 • 在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于 快恢复二极管 • 其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效 率高
第章电力晶体管和晶闸管
1) 正向断态重复峰值电压UDRM——在门极断路而 结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰 值电压。
2) 反向阻断重复峰值电压URRM—— 在门极断路而 结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰 值电压。
3) 通态（峰值）电压UTM——晶闸管通以某一规定 倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。
第章电力晶体管和晶闸管
第一节 电力二极管
➢ 电力二极管是指可以承受高电压大电流具有较大耗散功率的二极管，它 与其他电力电子器件相配合，作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护 元件，在各种变流电路中发挥着重要作用；
➢ 它的基本结构、工作原理和伏安特性与信息电子电路中的二极管相同， 以半导体PN结为基础；
考虑2倍的安全雨量后得：
18
3. 其他参数
1）通态平均电压UT(AV)：当晶闸管中流过额定电流并达
到稳定的额定结温时，阳极与阴极之间电压降的平均
值，称为通态平均电压。通态平均电压UT(AV)分为A～
Ｉ，对应为0.4V～1.2V共九个组别。 2) 维持电流 IH ：使晶闸管维持导通所必需的最小电流
➢ 一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高， 则IH越小
3) 擎住电流 IL：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发 信号后， 能维持导通所需的最小电流。 ➢ 对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。
19
4)断态电压临界上升率du／dt ：在额定结温和门极
开路情况下，不使元件从断态到通态转换的最大 阳极电压上升率称为断态电压临界上升率。
5）通态电流临界上升率di／dt ：在规定条件下，
➢ 本相电压强触发电路 这种触发方式电路简单、工作
可靠，主要用于双向晶闸管组 成的交流开关电路。
电力电子技术课件 第2章24.ppt
2.4 电力双极型晶体管
2.4.1 电力晶体管的结构和工作原理
与一般双极型晶体管相似的结构、工作原理和特性。 采用集成工艺将许多这种单元并联。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。
2.4 电力双极型晶体管
2.4.1 电力晶体管的结构和工作原理
ic=ib
应用中，GTR一般采用共发射极接法； 空穴流
集电极电流ic与基极电流ib的比值为：
ic
ib
(2-14)
ib Eb
电 子
Ec
流
ie=(1+ )ib c)
β——称为GTR电流放大系数，它反映出基极电流对集电 极电流的控制能力。
Hale Waihona Puke 单管电流放大系数为10左右。
当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为
2.4 电力双极型晶体管
2.4.2 GTR类型
（3） GTR模块 它是将GTR管芯根据不同的用途将几个单元电路集成
在同一硅片上。
提高了器件的集成度、工 作的可靠性、性价比，同时 也实现了小型轻量化。
2.4 电力双极型晶体管
2.4.2 GTR类型
（3） GTR模块 它是将GTR管芯根据不同的用途将几个单元电路集成
2.4 电力双极型晶体管
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），英文称为Power BJT.
它与晶闸管不同，具有线性放大特性，但在电力电子应 用中却工作在开关状态，从而减小功耗。
驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。 热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW 的电力电子装置 。
电力电子第2章 全控型电力电子器件b z
24/89
GTR、GTO、电力 MOSFET 和 IGBT 的特点比较表 器件 简称 GTR 名称 电力晶 体管 电气 符号 端子名 称 基极 优 点 缺 点
GTO
门极可 关断晶 闸管
1 3 2
电力场 P-MO 效应晶 SFET 体管 绝缘栅 IGBT 双极晶 体管
1 3 2
1
3
2
耐压高，电流大，开关特性 开关速度低，为电流驱动， 集电极 好，通流能力强，饱和压降 所需驱动功率大，驱动电路 低 复杂，存在二次击穿问题 发射极 阳极 电流关断增益很小，关断时 电压、电流容量大，适用于 门极负脉冲电流大，开关速 阴极 大功率场合，具有电导调制 度低，驱动功率大，驱动电 效应，其通流能力很强 路复杂，开关频率低 门极 漏极 开关速度快，输入阻抗高， 电流容量小，耐压低，一般 热稳定性好，所需驱动功率 只适用于功率不超过 10kW 源极 小且驱动电路简单，工作频 的电力电子装置 栅极 率高，不存在二次击穿问题 开关速度高，开关损耗小， 集电极 具有耐脉冲 电流冲 击的能 开 关 速 度 低 于 电 力 发射极 力，通态压降较低，输入阻 MOSFET,电压， 电流容量不 栅极 抗高，为电压驱动，驱动功 及 GTO，存在擎住效应 率小
漏源电压增加时， 漏极电流相应增加； 作为开关器件应用时， 应工作在该区域
截止区
UDS /V
UGS＜UGS(th)
雪崩区
无反向阻断能力
图2-21 电力MOSFET输出特性
UDS 过高
2)电力MOSFET的基本特征
2.转移特征
ID /A
D +
50 40 30 20 10 0 2
Tc=25o
Tc=125o
消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。
电力电子题库(第一章~第四章)
《电力电子技术》机械工业出版社命题人马宏松第一章功率二极管和晶闸管知识点：●功率二极管的符号，特性，参数●晶闸管的符号、特性、参数、工作原理●双向晶闸管的符号、特性、参数、工作原理●可关断晶闸管的符号、特性、参数、工作原理一、填空题1、自从_1956__ __ 年美国研制出第一只晶闸管。
2、晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性好等特点。
3、晶闸管的三个极分别为阳极、阴极、门极。
4、晶闸管导通的条件：在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时在它的阴极和门极间也加正向电压，两者缺一不可。
5、晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用。
6、晶闸管的关断条件：使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流。
7、双向晶闸管的四种触发方式：I+ 触发方式 I-触发方式Ⅲ+触发方式Ⅲ-触发方式。
8、GTO的开通时间由延迟时间和上升时间组成。
9、GTO的关断时间由存储时间、下降时间、和尾部时间。
10、功率二极管的导通条件：加正向电压导通，加反向电压截止。
11、对同一晶闸管，维持电流I H 与擎住电流I L在数值大小上有I L___>_____I H。
12、晶闸管断态不重复电压U DSM与转折电压U BO数值大小上应为，U DSM__<______U BO13、普通晶闸管内部有两个PN结,，外部有三个电极，分别是阳极A极阴极K 极和门极G极。
14、晶闸管在其阳极与阴极之间加上正向电压的同时，门极上加上触发电压，晶闸管就导通。
15、、晶闸管的工作状态有正向阻断状态，正向导通状态和反向阻断状态。
16、某半导体器件的型号为KP50—7的，其中KP表示该器件的名称为普通晶闸管，50表示额定电流50A，7表示额定电压700V。
17、只有当阳极电流小于维持电流电流时，晶闸管才会由导通转为截止。
18、当增大晶闸管可控整流的控制角α，负载上得到的直流电压平均值会减小。
二、判断题1、第一只晶闸管是1960年诞生的。
（错）2、1957年至1980年称为现代电力电子技术阶段。
简述电力晶体管的结构和特点
简述电力晶体管的结构和特点电力晶体管（PowerTransistor）是一种具有放大电流能力的半导体器件，它是由多个PN结组成的晶体管。
与普通的晶体管相比，电力晶体管具有更大的电流承受能力、更高的工作电压和更低的电流驱动要求，是电源、变换器、驱动器等电路中常用的元件之一。
一、电力晶体管的结构电力晶体管的结构可以分为两部分：NPN型和PNP型晶体管。
NPN 型晶体管由P型硅片、N型硅片和P型硅片三个区域组成，PNP型晶体管则由N型硅片、P型硅片和N型硅片三个区域组成。
两种结构的晶体管都具有三个区域，其中中间的N型硅片称为基极，两边的P型或N型硅片分别称为发射极和集电极。
电力晶体管的结构中还有两个重要的结构：漂移区和阳极结。
漂移区是指发射极和集电极之间的区域，它是由高掺杂的N型硅片组成的，其作用是承受输出电流。
阳极结是指集电极和漂移区之间的结构，它是由PN结构组成的，其作用是控制电流的流动。
二、电力晶体管的特点1.大电流承受能力电力晶体管具有很高的电流承受能力，一般可以承受几十安培的电流。
这是因为电力晶体管的漂移区采用了高掺杂的N型硅片，使得漂移区的电阻很低，电流可以流过去而不会引起过热或烧坏。
2.高工作电压电力晶体管的工作电压一般在几十伏到几百伏之间，可以满足大多数电路的需要。
这是因为电力晶体管的阳极结采用了PN结构，可以有效地控制电压的大小。
3.低电流驱动要求电力晶体管的驱动电流很小，一般只需要几毫安的电流就可以控制其输出电流的大小。
这是因为电力晶体管的控制端（即基极）采用了PN结构，可以有效地控制电流的大小。
4.快速开关速度电力晶体管的开关速度非常快，可以达到几十纳秒的时间。
这是因为电力晶体管的结构采用了PNP结构，可以有效地控制电流的流动速度。
5.可靠性高电力晶体管的可靠性非常高，可以长时间稳定工作。
这是因为电力晶体管的结构采用了高品质的材料和工艺，可以有效地避免元件的老化和损坏。
三、结论电力晶体管是一种具有放大电流能力的半导体器件，它具有大电流承受能力、高工作电压、低电流驱动要求、快速开关速度和可靠性高等特点。
电力晶体管
主要参数
(1)最高工作电压
(2)集电极最大允许电流ICM
(3)集电极最大允许耗散功率PCM
(4)最高工作结温TJM
二次击穿和安全工作区
(1)二次击穿
二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一个重要因素。当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速 增大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。出现一次击穿后，只要Ic不超过与最大运行耗散功率 相对应的限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不会有什么变化。但是实际应用中常常发现一次击穿发生时如不 有效地限制电流，Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的突然下降，这种现象称为二次击穿。 防止二次击穿的办法是：①应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多。②必须有电压电流缓冲保护措施。
产品简介
GTR是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力,产生于上个世纪70年代，其 额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短 和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间 短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐 浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的符号, 和普通的NPN晶体管一样。
电力晶体管
双极结型晶体管
01 产品简介
03 工作原理
目录
02 产品结构 04 产品特点
05 基本特性
07 驱动保护
ห้องสมุดไป่ตู้目录
06 主要参数 08 电路分析
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第二章电力晶体管（GTR）
§2-1 电力晶体管的结构与工作原理
GTR是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力,产生于本世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。
它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。
GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。
在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT 所代替。
它的符号如图1,和普通的NPN晶体管一样。
一、单管GTR
1.单管 GTR结构
电力晶体管有与一般双极型晶体管相似的结构、工作原理和特性。
它们都是3层半导体，2个PN结的三端器件，有PNP和NPN这2种类型，但GTR多采用NPN型。
GTR的结构、电气符号和基本工作原理，如图1所示。
在应用中，GTR一般采用共发射极接法，如图1(c)所示。
集电极电流i c与基极电流i b的比值为β=i c/i b (1)式中，β称为GTR的电流放大系数，它反映出基极电流对集电极电流的控制能力。
单管GTR的电流放大系数很小，通常为10左右。
在考虑集电极和发射极之间的漏电流时，i c=βi b+I c e o (2)
2. 单管 GTR的工作原理
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
一般采用共发射极接法，集电极电流ic与基极电流ib之比为
（1-9）
( ——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力)
当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为
ic=βi b +Iceo （1-10）产品说明书中通常给直流电流增益h FE——在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。
一般可认为β≈βh FE
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。
二、达林顿GTR
达林顿GTR模块达林顿结构的GTR是由2个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性质取决于驱动管，它与普通复合三极管相似。
达林顿结构的GTR电流放大倍数很大，可以达到几十至几千倍。
虽然达林顿结构大大提高了电流放大倍数，但其饱和管压降却增加了，增大了导通损耗，同时降低了管子的工作速度。
GTR模块目前作为大功率的开关应用还是GTR模块，它是将GTR管芯及为了改善性能的1个元件组装成1个单元，然后根据不同的用途将几个单元电路构成模块，集成在同一硅片上。
这样，大大提高了器件的集成度、工作的可靠性和性能/价格比，同时也实现了小型轻量化。
目前生产的GTR模块，可将多达6个相互绝缘的单元电路制在同一个模块内，便于组成三相桥电路。
为了提高GTR的开关速度，可选用结电容比较小的快速开关管，还可用加速电容来改善GTR的开关特性。
在GTR的基极电阻两端并联一个电容，利用换流瞬间其上电压不能突变的特性，也可改善管子的开关特性。
§2-2 电力晶体管的特性与参数
GTR的基本特性
一、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。
图2 共发射极接法时GTR的静态特性
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。
静态特性可分为输入特性和输出特性。
输入特性与二极管的伏安特性相似，在此仅介绍其共射极电路的输出特性。
GTR共射极电路的输出特性曲线，如图2所示。
由图明显看出，静态特性分为3个区域，即人们所熟悉的截止区、放大区及饱和区。
当集电结和发射结处于反偏状态，或集电结处于反偏状态，发射结处于零偏状态时，管子工作在截止区;当发射结处于正偏、集电结处于反偏状态时，管子工作在放大区;当发射和集电结都处于正偏状态时，管子工作在饱和区。
GTR在电力电子电路中，需要工作在开关状态，因此它是在饱和和截止区之间交替工作。
二、动态特性
开通过程
延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时
间ton。
td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电
容充电产生的。
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
由于管子结电容和储存电荷的存在，开关过程图1.13 GTR的开通和关断过程电流波形
不是瞬时完成的。
GTR开通时需要经过延时时间和上升时间，二者之和为开通时间;关断时需要经过储存时间和下降时间，二者之和为关断时间。
{{分页}}实际应用中，在开通GTR时，加大驱动电流i b和其上升率，可减小td 和tr ，但电流也不能太大，否则会由于过饱和而增大t s。
在关断GTR时，加反向基极电压可加速存储电荷的消散，减少t s ，但反向电压不能太大，以免使发射结击穿。
为了提高GTR的开关速度，可选用结电容比较小的快速开关管，还可用加速电容来改善GTR的开关特性。
在GTR的基极电阻两端并联一个电容，利用换流瞬间其上电压不能突变的特性，也可改善管子的开关特性。
关断过程
储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff
ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分
减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。
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
GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。
三、GTR的主要参数
前已述及：电流放大倍数(、直流电流增益h FE、集射极间漏电流I ceo、集射极间饱和压降U ces、开通时间ton和关断时间t off
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I cM的一半或稍多一点。
3) 集电极最大耗散功率P cM
最高工作温度下允许的耗散功率
产品说明书中给P cM时同时给出壳温T C，间接表示了最高工作温度。
四、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，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
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
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
图1-14 GTR的安全工作区。