电力晶体管GTR精品PPT课件
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电力晶体管PPT课件
第14页/共46页
2.3.3 GTO晶闸管的特性 1．阳极伏安特性 GTO晶闸管的阳极伏安特性与普通晶闸管相似。如
图2.8所示。
图2.8 GTO晶闸管的阳极伏安特性
第15页/共46页
2．GTO晶闸管的动态特性 图2.9给出了GTO晶闸管开通和关断过程中门极电流
和阳极电流的波形。
图2.9 GTO晶闸管的开通和关断过程电流波形
时所消耗的功率，它受结温限制，其大小由集电结 工作电压和集电极电流的乘积决定。 (5)开通时间ton。包括延迟时间td和上升时间tr。 (6)关断时间toff。包括存储时间ts和下降时间tf。
第19页/共46页
2.4.3 二次击穿现象 当集电极电压UCE逐渐增加到某一数值时，集电结的
反向电流IC急剧增加，出现击穿现象。首次出现的击 穿现象称为一次击穿，这种击穿是正常的雪崩击穿。 这一击穿可用外接串联电阻的方法加以控制，只要适 当限制晶体管的电流(或功耗)，流过集电结的反向电流 就不会太大，如果进入击穿区的时间不长，一般不会 引起GTR的特性变坏。但是，一次击穿后若继续增大 偏压UCE，而外接限流电阻又不变，反向电流IC将继续 增大，此时若GTR仍在工作，GTR将迅速出现大电流 ，并在极短的时间使器件内出现明显的电流集中和过 热点。电流急剧增长，此现象便称为二次击穿。一旦 发生二次击穿，轻者使GTR电压降低、特性变差，重 者使集电结和发射结熔通，使晶体管被永久性损坏。
2.1.1 结构与伏安特性 1．结构
电力二极管的内部结 构也是一个PN结，其 面积较大，电力二极管 引出两个极，分别称为 阳极A和阴极K。如图 2.1所示
第1极和阴极间的电压和流过管子的电流
之间的关系称为伏安特性，如图2.2所示。当从零逐渐 增大二极管的正向电压时，开始阳极电流很小，这
2.3.3 GTO晶闸管的特性 1．阳极伏安特性 GTO晶闸管的阳极伏安特性与普通晶闸管相似。如
图2.8所示。
图2.8 GTO晶闸管的阳极伏安特性
第15页/共46页
2．GTO晶闸管的动态特性 图2.9给出了GTO晶闸管开通和关断过程中门极电流
和阳极电流的波形。
图2.9 GTO晶闸管的开通和关断过程电流波形
时所消耗的功率，它受结温限制，其大小由集电结 工作电压和集电极电流的乘积决定。 (5)开通时间ton。包括延迟时间td和上升时间tr。 (6)关断时间toff。包括存储时间ts和下降时间tf。
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2.4.3 二次击穿现象 当集电极电压UCE逐渐增加到某一数值时，集电结的
反向电流IC急剧增加，出现击穿现象。首次出现的击 穿现象称为一次击穿，这种击穿是正常的雪崩击穿。 这一击穿可用外接串联电阻的方法加以控制，只要适 当限制晶体管的电流(或功耗)，流过集电结的反向电流 就不会太大，如果进入击穿区的时间不长，一般不会 引起GTR的特性变坏。但是，一次击穿后若继续增大 偏压UCE，而外接限流电阻又不变，反向电流IC将继续 增大，此时若GTR仍在工作，GTR将迅速出现大电流 ，并在极短的时间使器件内出现明显的电流集中和过 热点。电流急剧增长，此现象便称为二次击穿。一旦 发生二次击穿，轻者使GTR电压降低、特性变差，重 者使集电结和发射结熔通，使晶体管被永久性损坏。
2.1.1 结构与伏安特性 1．结构
电力二极管的内部结 构也是一个PN结，其 面积较大，电力二极管 引出两个极，分别称为 阳极A和阴极K。如图 2.1所示
第1极和阴极间的电压和流过管子的电流
之间的关系称为伏安特性，如图2.2所示。当从零逐渐 增大二极管的正向电压时，开始阳极电流很小，这
电力晶体管
t
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 d 间，从而加快开通过程。
ic 90% I cs 10% I cs 0
t0 t1
t2
t3
t4
t5
t
时间，同时可缩短上升时 图1-4 GTR的开通和关断过程电流波形
电力电子技术 (2) 动态特性
电力电子技术
电力晶体管
GTR的结构和工作原理 的结构和工作原理
图1-1 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 与普通的双极结型晶体管基本原理相同。 主要特性：耐压高、电流大、开关特性好。 结构：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 。
a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
截止区 O
图1-3 共发射极接法时GTR的输 出特性
电力电子技术
电力晶体管
(2) 动态特性 开通过程： 开通过程：施加正脉冲电 开通时间ton : td + tr 加快开通过程的办法 ：
ib 90% I b1 10% I b1 0 I b2 t on td tr t off I cs ts tf I b1
电力电子技术
电力晶体管
GTR的二次击穿现象与安全工作区 的二次击穿现象与安全工作区 一次击穿： 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，非损坏性的，工作特性也不变。 二次击穿： 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 I 衰变 。 P I 安全工作区（ 安全工作区（SOA） ）
电力电子电源技术及应用1.2 电力晶体管GTR
一般情况下，IB3≈IB1或更大一些。 GTR的驱动电路已经基本模块化。模块化的驱动 电路一般具有电流波形优化、过流保护、电源电压 监测以及过热保护等功能。
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
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
1.3 可关断晶闸管(GTO)、1.4 电力晶体管(GTR)
只有发射结接近正向偏置时，iC才开始上升，在这段时 间内有IB1而几乎无iC，由于发射结和集电结势垒电容效 应，只有势垒电容充电到一定程度，GTR才开始导通， 所以存在延迟时间td。
tr存在原因
发射结进入正偏，此后，正偏不断增大， iC不断上升，BJT接近或进入饱和区。IB1 一方面继续给发射结和集电结势垒电容充 电，另一方面使基区的电荷积累增加，并 且还补充基区复合所消耗的载流子，这就 存在着上升时间tr。
晶闸管的一种派生器件。 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。 目 前 ， GTO 的 容 量 水 平 达 6000A/6000V 、 1000A/9000V ，频率为1kHZ。 DATASHEET
1.3.1 可关断晶闸管的结构和工作原理
tf存在原因
当Ui变为负值，基极电流变为IB2，但iC不 立即变小，而是当基区的电荷减少一定程 度，IC才开始下降，所以存在存储时间ts。 当发射结由正偏变为反偏，集电结和发射 结电荷区变宽，iC下降较快，这就有下降 时间tf。
结构：
与普通晶闸管的相同 点：
－PNPN四层半导体结
构，外部引出阳极、
a)
阴极和门极。
和普通晶闸管的不同 点：
－ GTO 是 一 种 多 元 的 功率集成器件。
GK
GK G
N2
P2 N2
N1
P1 A
b)
图1-13
C）
d）
e）
图1-13 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) 管的结构 d)等效电路 e) 电气图形符号
tr存在原因
发射结进入正偏，此后，正偏不断增大， iC不断上升，BJT接近或进入饱和区。IB1 一方面继续给发射结和集电结势垒电容充 电，另一方面使基区的电荷积累增加，并 且还补充基区复合所消耗的载流子，这就 存在着上升时间tr。
晶闸管的一种派生器件。 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。 目 前 ， GTO 的 容 量 水 平 达 6000A/6000V 、 1000A/9000V ，频率为1kHZ。 DATASHEET
1.3.1 可关断晶闸管的结构和工作原理
tf存在原因
当Ui变为负值，基极电流变为IB2，但iC不 立即变小，而是当基区的电荷减少一定程 度，IC才开始下降，所以存在存储时间ts。 当发射结由正偏变为反偏，集电结和发射 结电荷区变宽，iC下降较快，这就有下降 时间tf。
结构：
与普通晶闸管的相同 点：
－PNPN四层半导体结
构，外部引出阳极、
a)
阴极和门极。
和普通晶闸管的不同 点：
－ GTO 是 一 种 多 元 的 功率集成器件。
GK
GK G
N2
P2 N2
N1
P1 A
b)
图1-13
C）
d）
e）
图1-13 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) 管的结构 d)等效电路 e) 电气图形符号
电力电子半导体器件GTO课件 (一)
电力电子半导体器件GTO课件 (一)电力电子半导体器件GTO课件电力电子是一门学科，它旨在控制电力，使其尽可能地适应各种用途。
电力电子半导体器件GTO（Gate Turn-Off thyristor）是电力电子领域比较重要的器件之一，本文将从以下几点介绍电力电子半导体器件GTO课件。
一、GTO器件的概念及特点GTO器件是一种可控硅器件，其结构与普通的可控硅类似，但是比普通可控硅多了一个开关功能。
当把GTO的控制端关闭时，它就可以从导通状态转换到截止状态，从而达到开关的作用。
GTO器件具有结构简单、灵敏度高、操作方便等特点。
二、GTO器件的工作原理GTO器件是一种双向导通的器件，它有两个工作模式：正向导通和反向导通。
正向导通时，控制端导通，主电路中的正向电流可以通过GTO器件流过，从而实现GTO器件的导通；反向导通时，主电路中的电流方向与正向导通时相反，控制端不导通，从而实现GTO器件断路。
GTO器件的工作原理可用三角形结表示。
三、GTO器件的应用领域GTO器件广泛应用于各种电力系统和电路中，包括电机控制、电源调节、换流器、逆变器甚至具有高电压和高功率的应用。
其中，逆变器是GTO 器件比较重要的应用领域之一，它可以将直流电源转换为交流电源，使得它可以更好的适应一些需要交流电源工作的设备。
四、GTO器件的发展历程和趋势GTO器件自1960年发明以来，不断得到完善和改进。
在20世纪80年代，IGBT逆变器逐渐替代了GTO逆变器，但GTO器件的低损耗、高晶体质量和低控制成本等特点，使得它仍然保持了一定的市场份额。
未来，随着新技术的发展，GTO器件仍将有进一步的发展和拓展。
总之，在电力电子领域，GTO器件是一种广泛应用的器件之一，具有灵敏、高效、质量好等特点，大力推广与广泛应用将对促进电力电子技术的发展起到积极的作用。
电力电子技术2.3GTO和GTR专题培训课件
2.4.2 电力晶体管
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。
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。
图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形
1-12
门极可关断晶闸管
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ton
—— 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约 1~2s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。
（2） 关断时间toff
—— 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2s。
N K+-
再生机制中 断，基极开
路关断
VD
2000
1000
0 5
Ik 晶闸管导通区
10 IgΒιβλιοθήκη A GTR关断 P缓冲吸收
G-
N P
电路抑
N
制电压 K+-
晶体管关断区
15
20
上升率 t
25 s
门极分流 －1000 GTO的关断过程
1-8
门极可关断晶闸管
结论： GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时
左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。
1-21
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。
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）
最新电力电子半导体器件IGBTppt课件PPT
漏极通态电流的连续值超过临界值IDM时产生的擎住效应称 为静态擎住现象。
IGBT在关断的过程中会产生动态的擎住效应。动态擎住 所允许的漏极电流比静态擎住时还要小，因此，制造厂家所规 定的IDM值是按动态擎住所允许的最大漏极电流而确定的。
动态过程中擎住现象的产生主要由重加dv/dt来决定，此外 还受漏极电流IDM以及结温Tj等因素的影响。
4．开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系：
5．开关损耗与温度和漏极电流关系
（三）擎住效应
IGBT的锁定现象又称擎住效应。IGBT复合器件内有一个 寄生晶闸管存在，它由PNP利NPN两个晶体管组成。在NPN晶 体管的基极与发射极之间并有一个体区电阻Rbr，在该电阻上， P型体区的横向空穴流会产生一定压降。对J3结来说相当于加 一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏压不大， NPN晶体管不起作用。当漏极电流人到—定程度时，这个正偏 量电压足以使NPN晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极 失去控制作用、这就是所谓的擎住效应。IGBT发生擎住效应后。 漏极电流增大造成过高的功耗，最后导致器件损坏。
(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电．以保证门极控制电压VGS 有足够陡峭的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外IGBT开通 后，门极驱动源应提供足够的功率使IGBT不致退出饱和而损坏。
(3)门极电路中的正偏压应为+12~+15V；负偏压应为－2~－10V。
(4)IGBT多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上 严格隔离。
门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一种新型电力半 导体器件，它不仅有与GTO相同的高阻断能力和低通态压降， 而且有与IGBT相同的开关性能，即它是GTO和IGBT相互取
IGBT在关断的过程中会产生动态的擎住效应。动态擎住 所允许的漏极电流比静态擎住时还要小，因此，制造厂家所规 定的IDM值是按动态擎住所允许的最大漏极电流而确定的。
动态过程中擎住现象的产生主要由重加dv/dt来决定，此外 还受漏极电流IDM以及结温Tj等因素的影响。
4．开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系：
5．开关损耗与温度和漏极电流关系
（三）擎住效应
IGBT的锁定现象又称擎住效应。IGBT复合器件内有一个 寄生晶闸管存在，它由PNP利NPN两个晶体管组成。在NPN晶 体管的基极与发射极之间并有一个体区电阻Rbr，在该电阻上， P型体区的横向空穴流会产生一定压降。对J3结来说相当于加 一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏压不大， NPN晶体管不起作用。当漏极电流人到—定程度时，这个正偏 量电压足以使NPN晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极 失去控制作用、这就是所谓的擎住效应。IGBT发生擎住效应后。 漏极电流增大造成过高的功耗，最后导致器件损坏。
(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电．以保证门极控制电压VGS 有足够陡峭的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外IGBT开通 后，门极驱动源应提供足够的功率使IGBT不致退出饱和而损坏。
(3)门极电路中的正偏压应为+12~+15V；负偏压应为－2~－10V。
(4)IGBT多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上 严格隔离。
门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一种新型电力半 导体器件，它不仅有与GTO相同的高阻断能力和低通态压降， 而且有与IGBT相同的开关性能，即它是GTO和IGBT相互取
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第5章
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
t
图5.3 GTR的开通图和1-关17 断过程电流波形
5.2
GTR的基本特性
➢ 关断过程
• 储存时间ts和下降时间tf，二者之和
ib
Ib1
为关断时间toff 。
90%Ib1
Eb
电
子
Ec
流
ie=(1+ib c)
图5.1 GTR的结构、电气图图1-1形5 符号和内部载流子的流动
a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
➢与普通的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 。
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
种被广泛采用的基本电路。
电路的具体形式如图5.5所示。 利用此电路再配以固定的反向基极 电流和固定的基极－发射极反向偏压， 即可获得较为满意的驱动效果。
5.4
GTR的驱动电路
理想的GTR基极驱动电流波形如图5.5所示。
I b1 其中 是GTR的基极电流
Ib2
初始值， 是GTR导通后
并恰好运行于准饱和状态 Ib3
时的正向电流值， 是当
GTR在关断时所需施加的、
足够大的基极反向电流值。
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.
相比较而言，隔离驱动方式由于具有一定的抗干扰能 力，安全性高，在实际中应用较多。
5.4
GTR的驱动电路
通常，GTR驱动电路应满足以下基本要求：
1）控制开通GTR时，驱动电流前沿要陡（小于1s），
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
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
5.1
GTR的结构和工作原理
➢ 在应用中，GTR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
ic
ib
——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IceR时，ic和ib的
关系为
ic= ib +IceR
产 作
品情说况明下书集中电通极常电给流直与流基电极流电增流益之h比FE。—一—般在可直认流为工
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 ➢ 产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高
工作温度 。
5.4
GTR的驱动电路
1. GTR对基极驱动电路的基本要求
GTR的基极驱动电路可分为直接驱动和隔离驱动两种方式。
➢直接驱动方式是指驱动电路与主电路之间直接连接。 ➢隔离驱动方式则是指驱动控制电路与主电路间没有电的联系， 驱动信号是通过隔离元件间传送的。
10%Ics
的饱和导通压降Uces增加，从而增
0
t0 t1 t2
t3
t4 t5
t
大通态损耗。
• 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 。
5.3
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
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
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 下能快速自动切除基极驱动信号，避免GTR遭至损坏。
• 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
a)
b)
ic=ib
空穴流 ib
• 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。
10%Ib1 0
t Ib2
• 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。
ic 90%Ics
ton
td tr
Ics
toff
ts
tf
• 负面作用是会使集电极和发射极间
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
t
图5.3 GTR的开通图和1-关17 断过程电流波形
5.2
GTR的基本特性
➢ 关断过程
• 储存时间ts和下降时间tf，二者之和
ib
Ib1
为关断时间toff 。
90%Ib1
Eb
电
子
Ec
流
ie=(1+ib c)
图5.1 GTR的结构、电气图图1-1形5 符号和内部载流子的流动
a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
➢与普通的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 。
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
种被广泛采用的基本电路。
电路的具体形式如图5.5所示。 利用此电路再配以固定的反向基极 电流和固定的基极－发射极反向偏压， 即可获得较为满意的驱动效果。
5.4
GTR的驱动电路
理想的GTR基极驱动电流波形如图5.5所示。
I b1 其中 是GTR的基极电流
Ib2
初始值， 是GTR导通后
并恰好运行于准饱和状态 Ib3
时的正向电流值， 是当
GTR在关断时所需施加的、
足够大的基极反向电流值。
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.
相比较而言，隔离驱动方式由于具有一定的抗干扰能 力，安全性高，在实际中应用较多。
5.4
GTR的驱动电路
通常，GTR驱动电路应满足以下基本要求：
1）控制开通GTR时，驱动电流前沿要陡（小于1s），
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
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
5.1
GTR的结构和工作原理
➢ 在应用中，GTR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
ic
ib
——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IceR时，ic和ib的
关系为
ic= ib +IceR
产 作
品情说况明下书集中电通极常电给流直与流基电极流电增流益之h比FE。—一—般在可直认流为工
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 ➢ 产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高
工作温度 。
5.4
GTR的驱动电路
1. GTR对基极驱动电路的基本要求
GTR的基极驱动电路可分为直接驱动和隔离驱动两种方式。
➢直接驱动方式是指驱动电路与主电路之间直接连接。 ➢隔离驱动方式则是指驱动控制电路与主电路间没有电的联系， 驱动信号是通过隔离元件间传送的。
10%Ics
的饱和导通压降Uces增加，从而增
0
t0 t1 t2
t3
t4 t5
t
大通态损耗。
• 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 。
5.3
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
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
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 下能快速自动切除基极驱动信号，避免GTR遭至损坏。
• 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
a)
b)
ic=ib
空穴流 ib
• 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。
10%Ib1 0
t Ib2
• 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。
ic 90%Ics
ton
td tr
Ics
toff
ts
tf
• 负面作用是会使集电极和发射极间