晶闸管及单相可控整流电路

第1

章电力电子器件认识

指导老师：谢祥第1章电力电子器件认识

1.1晶闸管(SCR)1.2可关断晶闸管（GTO）

1.3电力大功率晶体管(GTR)1.4电力场效应晶体管（MOSFET）1.5绝缘栅双极型晶体管(IGBT)

1.6其他新型电力器件1.7实训1晶闸管的简易测试及导通关断条件实验

1.8实训2单相半控桥式整流电路的研究第1节晶闸管

晶闸管全称晶体闸流管，曾称可控硅(SiliconControlledRectifier)，简称SCR。1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极；

晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中，成为特大功率低频(200Hz以下)装置中的主要器件。第1节晶闸管

1.1.1晶闸管的结构及工作原理

1.1.2晶闸管的主要参数

1.1.3晶闸管的型号及简单测试方法

第1节晶闸管

1.1.1晶闸管的结构及工作原理

1.1.1.1晶闸管的结构及分类根据晶闸管的外形：有螺栓型封装和平板型封装两种。其封装形式可分为小电流塑封式、小电流螺栓式、大电流螺栓式和大电流平板式(额定电流在200A以上)，如图1-1(a)、(b)、(c)所示。晶闸管有3个电极，分别是阳极A、阴极K和门极(或称控制极)G，它的图形及文字符号如图1-1(d)所示。

第1节晶闸管

晶闸管是大功率器件，工作时发热大，必须安装散热器。如图1-2所示为晶闸管散热器。

图1-1晶闸管的外形及符号图1-2所示为晶闸管散热器

第1节晶闸管

1.1.1.2晶闸管的工作原理我们通过如图1-3所示的电路来说明晶闸管的工作原理。在该电路中，由电源UAA、白炽灯、晶闸管的阳极和阴极组成晶闸管主电路；由电源UGG、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路，也称触发电路。

(1)如图1-3(a)所示，晶闸管阳极经负载(白炽灯)接电源UAA正极，阴极接电源负极，此时晶闸管承受正向电压。在触发电路中与控制极串联的开关S断开，灯不亮，说明晶闸管不导通。第1节晶闸管

图1-3晶闸管工作情况的实训

第1节晶闸管

(2)如图1-3(b)所示，晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，S闭合，但控制极相对于阴极加反向电压，这时灯不亮，说明晶闸管也不导通。(3)如图1-3(c)所示，晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，S闭合，此时控制极相对于阴极加正向电压，这时灯亮，说明晶闸管导通，这一过程称为触发导通。晶闸管导通后去掉控制极上的电压，如图1-3(d)所示，即开关S断开，灯仍然亮，表明晶闸管继续导通。这说明晶闸管一旦导通，控制极就失去了控制作用。

第1节晶闸管

(4)如图1-3(e)所示，电路中灯原本是亮的，如果不断地减小阳极电流，当阳极电流小于某一数值之后，灯即灭，说明晶闸管重新关断，这一维持导通的最小电流称为维持电流IH，此时晶闸管处于正向阻断状态。(5)如图1-3(f)所示，控制极与阴极之间加正向电压，阳极加反向电压，此时灯不亮，晶闸管不导通，处于反向阻断状态。通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备如下两个条件：(1)晶闸管主电路加正向电压。(2)晶闸管控制电路加合适的正向电压。

第1节晶闸管

普通晶闸管由4层半导体(P1、N1、P2、N2)组成，形成3个结J1(P1N1)、J2(N1P2)、J3(P2N2)。并分别从P1、P2、N2引出A、G、K3个电极，它和二极管一样，是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。由于采用扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成(如图1-4所示)由两个晶体管VT1(P1-N1-P2)和VT2(N1-P2-N2)组成的等效电路。当晶闸管阳极和阴极之间施加正向电压UA时，若给门极G也加正向电压UG，门极电流IG经晶体管VT2放大后成为集电极电流Ic2，Ic2又是晶体管VT1的基极电流，放大后的集电极电流Ic1进一步使IG增大且又作为VT2的基极电流流入。重复上述正反馈过程，两个晶体管VT1、VT2都快速进入饱和状态，使晶闸管阳极A与阴极K之间导通。第1节晶闸管

图1-4晶闸管的等效电路

第1节晶闸管

此时若撤除UG，VT1、VT2内部电流仍维持原来的方向，只要满足阳极正偏的条件，晶闸管就一直导通。就像二极管一样正向导通。由此可见，晶闸管与二极管一样具有单向导电特性，电流只能从阳极流向阴极。与二极管不同的是晶闸管具有正向阻断特性。当晶闸管A、K间承受正向电压，而门极电流IG=0时，上述VT1和VT2之间的正反馈不能建立起来，晶闸管A、K之间只有很小的正向漏电流，它处于正向阻断状态。当加上正向电压时管子还不能导通，必须同时加上门极电压，有足够的门极电流流入后才能使晶闸管正向导通。因此，晶闸管具有正向导通的可控特性，这种门极电压对晶闸管正向导通所起的控制作用称为闸流特性，也称为晶闸管的可控单向导电性。门极电压只能触发晶闸管开通，不能控制它的关断，从这个意义上讲，晶闸管是半控型电力器件。

第1节晶闸管

综上所述，我们可得出如下结论。(1)在晶闸管阳极和阴极之间外加正向电压，但控制极不加触发电压时，晶闸管一般不会导通。(2)晶闸管导通需要同时满足两个条件：1)阳极和阴极外加正向电压；2)控制极外加一定幅度的正触发电压。(3)普通的晶闸管一旦导通，触发信号则失去控制作用，只要阳极、阴极间的正向电压存在，即使控制电压减小到零或反向，晶闸管仍导通。(4)要使晶闸管从导通变为阻断，必须减小阳极电流或切断正向电压或加反向电压才可以。

第1节晶闸管

1.1.2晶闸管的主要参数

1.1.2.1晶闸管的重复峰值电压——额定电压UTe门极断开(IG=0)，元件处在额定结温时，正向阳极电压为正向阻断不重复峰值电压UDSM(此电压不可连续施加)的80%所对应的电压，称为正向重复峰值电压UDRM(此电压可重复施加，其重复频率为50Hz，每次持续时间不大于10ms)。元件承受反向电压时，阳极电压为反向不重复峰值电压URSM的80%所对应的电压，称为反向重复峰值电压URRM。由于晶闸管工作时，外加电压峰值瞬时超过反向不重复峰值电压即可造成永久损坏，且环境温度升高或散热不良均可能使晶闸管正、反向转折电压下降，特别是在使用中会出现各种过电压，因此，选用元件的额定电压值时，应比实际正常工作时的最大电压大2～3倍。

第1节晶闸管

1.1.2.2晶闸管的额定通态平均电流——额定电流IT(AV)在环境温度为40℃和规定的冷却条件下，晶闸管工作在电阻性负载且导通角不小于170°的单相工频正弦半波电路中，当结温稳定且不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流，称为额定通态平均电流，用IT(AV)表示，简称为元件的额定电流。实际应用中应按照流过晶闸管实际波形电流与工频正弦半波平均电流热效应相等(即有效值相等)的原则来选取晶闸管的额定电流，然后根据管子的额定电流(通态平均值)求出元件允许流过的最大有效电流。不论流过晶闸管的电流波形如何，只要流过元件的实际电流最大有效值小于或等于管子的额定有效值，且散热、冷却在规定的条件下，管芯的发热就能限制在允许范围内。

第1节晶闸管

由于晶闸管的电流过载能力比一般电机、电器要小得多，因此，在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以1.5～2的安全系数，使其有一定的电流裕量。1.1.2.3门极触发电流IGT和门极触发电压UGT在室温下，晶闸管加6V正向阳极电压时，使元件完全导通所必需的最小门极电流称为门极触发电流IGT。对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压UGT。门极触发电流、电压的大小必须有一定的范围限制。元件所需的触发电流、电压太小，容易受干扰而造成误触发；元件所需的触发电流、电压太大又会造成触发困难，但即使同一工厂生产的同一型号的晶闸管，由于门极特性的差异，其触发电流、触发电压也相差很大，所以，对不同系列的元件只规定了触发电流、电压的上、下限值。例如,100A的晶闸管，其触发电流、电压分别不应超过250mA/4V，也不应小于lmA/0.15V。

第1节晶闸管

通常每一个晶闸管的铭牌上都标明了其触发电流和电压在常温下的实测值，但触发电流、触发电压电压受温度的影响很大。温度升高，IGT和UGT值会显著降低；温度降低，IGT和UGT值又会增大。为了保证晶闸管的可靠触发，在实际应用中，外加门极电压的幅值应比UGT大几倍。1.1.2.4通态平均电压UT(AV)在规定环境温度、标准散热条件下，元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值称为通态平均电压(又称管压降)。在实际使用中，从减小损耗和元件发热的角度出发，应选择UT(AV)小的晶闸管。

第1节晶闸管

1.1.3晶闸管的型号及简单测试方法

1.1.3.1晶闸管的型号如图1-5所示。如KP5-7E表示额定电流为5A、额定电压为700V的普通晶闸管。

图1-5晶闸管的型号

第1节晶闸管

1.1.3.2晶闸管的简单测试方法对于晶闸管的3个电极，可以用万用表粗测其好坏。依据PN结单向导电原理，用万用表欧姆挡测试元件的3个电极之间的阻值，可初步判断管子是否完好。如用万用表R×1k挡测量阳极A和阴极K之间的正、反向电阻都很大，在几百千欧以上，且正、反向电阻相差很小；用R×10或R×100挡测量控制极G和阴极K之间的阻值，其正向电阻应小于或接近于反向电阻，这样的晶闸管是好的；如果阳极与阴极或阳极与控制极间有短路，阴极与控制极间为短路或断路，则晶闸管是坏的。

第1节晶闸管

【例1-1】某晶闸管接在220V交流回路中，通过器件的电流有效值为100A，应选择什么型号的晶闸管？解晶闸管额定电压

按晶闸管参数系列取800V，即8级。晶闸管的额定电流

按晶闸管参数系列取100A，所以选取晶闸管型号KP100-8E。

第1节晶闸管

【例1-2】现有晶闸管型号为KP50-7，用于某电路中时，流过的电流波形如图1-6所示，试求Im允许多大？

解KP50-7晶闸管允许流过的电流有效值为实际流过该管的电流有效值可由下式计算求得

当考虑两倍的安全余量时，Im的允许值为图1-6流过晶闸管的电流波形第1节晶闸管

表1-1KP型晶闸管元件主要额定值单位

参数

系列通态平均电流正向重复峰值电压、反向重复峰值电压正向不重复平均电流、反向不重复平均电流额定结温门极触发电流门极触发电压断态电压临界上升率通态电流临界上升率浪涌

电流IT(AV)UDRMURRMIDS(AV)IRS(A)tjMIGTUGTdu/dtdi/dtITSMAVmA℃mAVV/µsA/µsA序号123456789KP1KP5KP10KP20KP3015102030100～3000100～3000100～3000100～3000100～3000≤1≤1≤1≤1≤21001001001001003～305～705～1005～1008～150≤2.5≤3.5≤3.5≤3.5≤3.525～1

00025～5002090190380560第1节晶闸管

表1-1KP型晶闸管元件主要额定值KP50KP100KP200KP300KP400KP500KP600KP800KP1000501002003004005006008001000100～3000100～3000100～3000100～3000100～3000100～3000100～3000100～3000100～3000≤2≤4≤4≤8≤8≤8≤9≤9≤101001151151151151151151151158～15010～25010～25020～30020～30020～30030～35030～35040～400≤3.5≤4≤4≤5≤5≤5≤5≤5≤525～1

00025～500209019038056094018803770565075409420111601492018600

第1节晶闸管

表1-2KP型晶闸管元件的其他特性参数单位参数

系列正向重复平均电流、反向重复平均

电流通态平均电压维持电流门极

不触发

电流门极

不触发

电压门极正向峰值电流门极反向峰值电压门极平均功率门极峰值功率门极控制开通时间电路换向关断时间IDR(AV)UT(AV)IHIGDUGDIGFMUGRMPG(AV)PGMtgttgmAVmAmAVAVWWµsµs序号1234567891011KP1KP5KP10KP20KP30<1<1<1<1<2①实测值①实测值0.40.41110.30.30.250.250.15__________555550.50.511________②典型值②典型值

第1节晶闸管

表1-2KP型晶闸管元件的其他特性参数KP50KP100KP200KP300KP400KP500KP600KP800KP1000<2<4<4<8<8<9<9<9<10①实测值①实测值111111______0.150.150.150.150.150.15____________44444455555555511224444______1515151515②典型值②典型值①元件出厂上限值由各厂根据合格的产品度验自定。②同类产品中最有代表的数值。第2节可关断晶闸管

2.1.1GTO的结构和工作原理2.1.2GTO的主要参数2.1.3GTO的应用第1节可关断晶闸管

可关断晶闸管是门极可关断晶闸管的简称，英文缩写为GTO(GateTurnOffThyristor)。可关断晶闸管是晶闸管家族的一个成员，是晶闸管的派生器件，但GTO可以通过在门极施加负的电脉冲使其关断，因而属于全控型器件。GTO的电压、电流容量较大，和晶闸管接近。因此，GTO在高电压和大、中容量的斩波器和逆变器中获得了广泛的应用。

第1节可关断晶闸管

2.1.1GTO的结构和工作原理2.1.1.1GTO的结构GTO和普通晶闸管一样，也是PNPN四层半导体结构，外部也是引出阳极、阴极和门极。但内部结构有所不同，主要体现在GTO内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些小GTO元的阴极和门极都在器件内部并联在一起。这种特殊的结构是为了便于实现门极控制关断而设计的。如图4-1(a)、(b)所示是GTO的一种结构图。

第2节可关断晶闸管

图4-1GTO的结构和电气图形符号

第2节可关断晶闸管

4.1.1.2GTO的工作原理因为GTO也是PNPN四层结构，所以其工作原理也可以用如图4-2所示的双晶体管等效电路来分析，两个晶体管分别为P1N1P2和N1P2N2。设P1N1P2晶体管和N1P2N2晶体管的共基极电流放大系数分别为和。和并不是常数，而是随着它们的发射极电流的增加而增加的，如图4-3所示。

第2节可关断晶闸管

、图4-2GTO的双晶体管等效电路图4-3、和的关系曲线

第2节可关断晶闸管

若不考虑晶体管的漏电流Io，从图4-2可知，GTO的阳极电流IA可表示为(4-1)式中，IK为GTO的阴极电流，即N1P2N2晶体管的发射极电流。当GTO的门极电流IG=0时，IA=IK。从式(4-1)可以看出，+=1是GTO的临界饱和导通条件。当+>1时，两个等效晶体管处于过饱和状态而使GTO导通；当+<1时，GTO不能维持饱和导通而被关断。当门极电流IG≠0时，GTO的阴极电流IK为IK=IA+IG(4-2)把上式代入式(4-1)，可得门极控制增益为(4-3)

第2节可关断晶闸管

表示了门极对GTO控制的灵敏程度。控制关断时，式(4-3)中IG<0，这时表示关断增益。从式(4-3)可知，若要提高关断控制灵敏度和增大关断增益，可以采用如下方法：(1)增大；(2)减小+，使+接近1。增大，即可使N1P2N2晶体管控制更灵敏，从而使得GTO更易于关断。减小+，可使得GTO在导通时接近临界饱和，有利于GTO的关断。普通晶闸管的+≥1.15，导通时饱和较深，无法用门极负电流脉冲使其关断。而GTO在设计时使得+≈1.05，给门极关断控制提供了有利条件。可以看出，GTO的两个等效晶体管电流放大系数之比/比普通晶闸管的大。当然，由于GTO导通时接近于临界饱和，使得管压降比普通晶闸管大，增加了导通时的损耗。

第2节可关断晶闸管GTO导通的工作原理：设GTO阳极电压为正向电压，当在门极加正向触发电流IG后，通过N1P2N2晶体管的放大作用使得其集电极电流Ic2和发射极电流IK增加。Ic2是P1N1P2晶体管的基极电流，它又使得其集电极电流Ic1和发射极电流IA增加。Ic1注入N1P2N2晶体管的基极，使Ic2和IK进一步增加。这是一个正反馈过程。当IA和IK的增加使+>1后，即使撤去门极电流IG，GTO也能维持导通。如图4-3所示的L点为+=1的临界点，当GTO电流再增加时，饱和加深。图中阴影的宽度表示了饱和的深度。

第2节可关断晶闸管

设GTO处于导通状态且阳极电流为IA。这时如果给门极加负关断脉冲，则P1N1P2晶体管的集电极电流Ic1将被从门极抽出形成-IG，使N1P2N2晶体管基极电流Ib2减小，从而使IK和Ic2减小。Ic2减小又使IA减小，也使Ic1减小，这也是一个正反馈过程。当IA和IK的减小使+<1时，等效晶体管P1N1P2和N1P2N2已退出饱和，GTO内部不再满足维持导通的条件，阳极电流就很快下降到零而关断。

第2节可关断晶闸管

GTO关断的工作原理：在GTO的关断过程中，开始从门极抽出电流时，GTO的阴极导通区由接近门极的边缘向阴极中心区收缩，在P2基区内就将有一个横向电流从阴极中心区流向门极。若P2基区电阻率很高，横向电阻较大，横向电流将产生较大的横向压降。显然，这个压降对抽出门极电流不利，影响GTO的关断。缩短门极和阴极间的距离是减小横向电阻的有效方法。普通晶闸管是一元结构，从P2基区边缘到中心门极距离很大，横向电阻也很大，这种结构决定了普通晶闸管不可能从门极抽出很大的电流而使其关断。GTO采用了多元集成结构，每个GTO元门极和阴极距离很短，有效地减小了横向电阻，为用门极控制关断提供了有利条件。

第1节可关断晶闸管

GTO的多元集成结构除了对关断有利外，也使得GTO比普通晶闸管开通过程加快，承受di/dt能力增强。因为在开通过程中电流总是先从门极附近开始，逐步扩大导通面积。每个GTO元的阴极面积很小，众多的GTO元同时进行着开通过程，阴极导通面积的扩展速度当然比一元结构的普通晶闸管快，承受di/dt能力也强。GTO的多元集成结构对制造工艺提出了极高的要求，它要求必须保持所有的GTO元特性一致。开通速度不一致时，首先开通的GTO元将因承担过大的电流而损坏，关断速度不一致时，最迟关断的GTO元也会因过电流而损坏。

第1节可关断晶闸管

由于GTO的导通原理和普通晶闸管类似，因此分析GTO的工作原理主要就是分析其关断机理。从上述分析可以看出，理解GTO的关断机理主要可从两方面考虑：一是和普通晶闸管相比，GTO的/比较大，N1P2N2晶体管控制灵敏，而+较小，接近于1，使GTO导通时接近于临界饱和；二是GTO的多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，P2基区横向电阻很小,使得可以用门极负电流关断GTO。

第2节可关断晶闸管

2.1.2GTO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。这里只讨论一些意义不同的参数，以及有必要进一步说明的参数。2.1.2.1最大可关断阳极电流IATO该参数是标称GTO额定电流容量的参数。这一点和普通晶闸管不同，普通晶闸管是以一定波形下的电流平均值来作为额定电流的。实际上，GTO的电流限制有两个：一个是发热限制，即GTO的额定工作结温的限制；另一个是利用门极负电流脉冲可以关断的最大阳极电流的限制，这是由GTO的临界饱和导通条件所限制的。阳极电流过大，GTO便处于较深的饱和导通状态，会导致门极关断失败。通常都以最大可关断阳极电流IATO作为GTO的标称电流。

第2节可关断晶闸管

值得注意的是：GTO的最大可关断阳极电流并不是一个固定不变的值，因条件变化而变化。如门极负电流脉冲波形、电流参数及工作条件等对它都会有一定的影响。4.1.2.2电流关断增益βoff从GTO的关断原理可以看出，GTO是用门极负电流脉冲来关断阳极电流的。一般总希望用较小的门极电流来关断较大的阳极电流。最大可关断阳极电流IATO和门极负电流最大值IGM(绝对值)之比被称为电流关断增益，即(4-4)

一般只有5左右。电流关断增益低是GTO的一个主要缺点。一个1

000A的GTO关断时门极负脉冲电流的幅值要200A才行，这是一个相当大的数值。第2节可关断晶闸管

2.1.2.3擎住电流GTO经门极被触发刚从断态转入通态，撤除门极信号后GTO仍能维持导通所需要的最小阳极电流。其含义和普通晶闸管基本相同。所不同的是，GTO是多元集成结构，各GTO元的擎住电流值不可能完全相同。假设阳极电流的值使部分GTO元达到其擎住电流值，而其余部分GTO元未达到，如果这时就撤除门极信号，未达到其擎住电流值的GTO元就会恢复阻断，这种情况显然是不正常的。因此，GTO的擎住电流通常指所有GTO元都达到其擎住电流值时的阳极电流。GTO达到擎住电流时，+=1，正好处于饱和导通的临界值。第2节可关断晶闸管

2.1.2.4维持电流因为GTO是多元集成结构，把阳极电流减小到开始出现某些GTO元不能再维持导通时的值称为整个GTO的维持电流。可以看出当阳极电流比维持电流略小时，只要有的GTO元还能继续维持导通，则从外部看，GTO就仍处于通态。2.1.2.5开通时间ton开通时间指延迟时间td

和上升时间tr之和，即ton=td+tr(4-5)GTO的延迟时间td

约为1～2µs，上升时间tr

随通态阳极电流值的增大而增大。

第2节可关断晶闸管

2.1.2.6关断时间toff关断时间一般指存储时间ts和下降时间tf之和，而不包括尾部时间tt，即toff=ts+tf(4-6)存储时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2µs。2.1.2.7断态不重复峰值电压URSM其含义和普通晶闸管相同，但普通晶闸管在超过此电压转折值时不会立刻损坏，而GTO阳极电压超过该值时，可能只有其中个别的GTO元首先转折，全部阳极电流集中于该GTO元，造成局部电流密度过大而损坏。另外，还需指出的是，不少GTO都制成逆导型，不能承受反向电压。当需要承受反向电压时，还应和二极管串联使用。

第2节可关断晶闸管

2.1.3GTO的应用采用GTO元件，由于其具有可关断的特性，主电路非常简单，又不需要换相电路，所以就不存在换相的问题。由于GTO的关断电流增益很差(一般为4或5)，还因为关断损耗需要大功率的吸收电路，使GTO的工作频率局限于1kHz以内。GTO可用一个正脉冲电流导通和一个负脉冲电流关断。目前该元件的参数水平已达到3

000A/6

000V和1

000A/9

000V。目前GTO除了用于电力机车牵引、交流电机驱动、VVVF逆变器(变压变频变换器)和CVCF逆变器(恒压恒频变换器)、UPS(不间断)电源和感应加热装置之外，还广泛应用于1

000kW以下的大功率电压型逆变器和大功率自换相电流型逆变器中。第3节电力晶体管

3.2.1电力晶体管的结构和工作原理3.2.2电力晶体管的主要参数

3.2.3电力晶体管的二次击穿与安全工作区

第3节

电力晶体管

电力晶体管通常用GTR表示，GTR是GiantTransistor的缩写，英文意思为巨型晶体管，它又是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管(BipolarJunctionTransistor，BJT)，所以英文名称有时候也称为PowerBJT。在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称是等效的。虽然从20世纪80年代以来，电力晶体管在数百千瓦以下的中、小功率低压电力电子装置中得到了广泛的应用，取代了晶闸管，但是随着绝缘栅双极晶体管和电力场效应晶体管的出现，电力晶体管又逐渐被后者所代

第3节电力晶体管

3.2.1电力晶体管的结构和工作原理3.2.1.1电力晶体管的结构电力晶体管的结构和小功率晶体管非常类似。但是对GTR来说，最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好，而不像小功率的用于信息处理的双极结型晶体管那样注重单管电流放大系数、线性度、频率响应以及噪声和温漂等性能参数。因此，GTR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，同GTO一样，采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。单管的GTR结构与普通的双极结型晶体管是相似的。电力晶体管是由三层硅半导体(分别引出集电极、基极和发射极)、两个PN结(集电结和发射结)构成的。它和小功率晶体管一样，也有PNP和NPN两种结构。因为在同样结构参数和物理参数的条件下，NPN晶体管比PNP晶体管性能优越得多，所以高压大功率电力晶体管多采用NPN结构，本节主要讨论这种结构的电力晶体管。

第3节电力晶体管如图4-4(a)和图4-4(b)所示分别是NPN型电力晶体管的内部结构图和电气图形符号。大多数情况下采用三重扩散法制作电力晶体管，或者是在集电区高掺杂的N+硅衬底上用外延生长法生长一层N漂移层，然后在上面扩散P基区，接着扩散高掺杂的N+发射区。基极和发射极在一个平面上制成叉指式，以减少电流集中，提高器件的通流能力。注意，表示半导体类型的字母的右上角标“+”表示高掺杂浓度，“-”表示低掺杂浓度。

第3节电力晶体管3.2.1.2电力晶体管的工作原理晶体管电路有共发射极、共基极、共集电极3种接法。电力晶体管也有这3种接法，但一般采用共发射极接法。如图4-5所示，给出了共发射极接法时电力晶体管内部主要载流子流动情况示意图。图中，1为从基极注入的越过正向偏置发射结的空穴，2为与电子复合的空穴，3为因热骚动产生的载流子构成的集电结漏电流，4为越过集电结形成的集电极电流的电子，5为发射极电子流在基极中因复合而失去的电子。

第3节电力晶体管图4-4电力晶体管的结构及电气图形符号图4-5电力晶体管内载流子的流动

第3节电力晶体管集电极电流ic与基极电流ib的比为=ic/ib(4-7)称为电力晶体管的电流放大系数。是一个很重要的参数，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。式(4-7)未考虑集电极与发射极间漏电流Iceo。当考虑Iceo时，ic和ib的关系为(4-8)一般Iceo很小，可以忽略不计。但当温度升高时，Iceo会按指数规律增大，高温时Iceo就不能忽略了。电力晶体管产品说明书中通常给出的是直流电流增益hFE，它是在直流工作的情况下，集电极电流Ic与基极电流Ib之比。通常可以认为β≈hFE

。

第3节电力晶体管值的大小随集电极电流Ic的不同而变化。集电极、发射极之间的电压Uce和管壳温度T对值也有影响。如图4-6所示给出了不同Uce、T情况下和Ic的关系曲线。可以看出随Ic的增大而增大，但Ic过大时反而减小；T升高时增大，但Ic过大时，T升高反而迅速减小；Uce反极性时很小。电力晶体管的值比小功率晶体管小得多，通常为10左右。在共发射极接法时，电力晶体管的典型输出特性如图4-7所示，可分为3个工作区。

第3节电力晶体管(1)截止区：在截止区内，Ib≤0，Ube≤0，Ubc<0，集电极只有漏电流流过。(2)放大区：Ib>0，Ube>0，Ubc<0，Ic=Ib。(3)饱和区：Ib>Ics/，Ube>0，Ubc>0。Ics是集电极饱和电流，其值由外电路所决定。两个PN结都为正向偏置，是饱和的特征。饱和时集电极和发射极间的管压降Uces很小，因此电流很大时损耗也不大。晶体管刚进入饱和区时称为临界饱和，如果再增大Ib，则为过饱和。增大Ib，即增加饱和深度，可以降低Uces，减少导通期间的损耗。在电力电子电路中，电力晶体管工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区。但在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，都要经过放大区。

第3节电力晶体管图4-6不同Uce、T时与Ic的关系图4-7共发射极接法的输出特性

第3节电力晶体管

3.2.2电力晶体管的主要参数前面已经介绍了描述电力晶体管特性的一些参数，如电流放大系数、直流电流增益hFE、集电极与发射极间漏电流Iceo、集电极和发射极间的饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff等。这里主要讲述电力晶体管的极限运用参数，即最高工作电压、最大工作电流、最大耗散功率和最高结温等。

第3节电力晶体管3.2.2.1最高工作电压电力晶体管上所施加的电压超过规定值时，就会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还和外部电路的接法有关。(1)

BUcbo发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压。(2)

BUceo基极开路时集电极和发射极之间的击穿电压。当集电极和发射极间加上电压Uce后，使集电结处于反向偏置，发射结处于正向偏置，晶体管流过漏电流Iceo。当Uc升高使集电结出现雪崩击穿时，集电极电流增大，使发射结正偏压增大，发射区注入基区电子增多，而这又促使集电极电流进一步增大。这种雪崩倍增和电流放大之间的相互影响，使BUceo要比BUcbo小很多。

第3节电力晶体管(3)

BUcer和BUces实际电路中电力晶体管的发射极和基极间常接有电阻R，这时用BUcer表示集电极和发射极间的击穿电压。基极和发射极间接上电阻R后，当集电结反向电流流过基极时，R的分流作用使流过发射结的电流减小。因此，加到发射结的正向电压比基极开路时低，发射区向基区注入的电子减少，晶体管不易击穿。所以BUcer比BUceo高。R越小，BUcer越高。当R为0时，即发射极和基极短路时，其击穿电压用BUces表示。(4)

BUcex发射结反向偏置时，集电极和发射极间的击穿电压。发射结反向偏置时，发射区注入基区电子显著减少，击穿电压增高。如图4-8所示为电力晶体管的击穿特征。可以看出，BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>BUceo。

第3节电力晶体管图4-8电力晶体管的击穿特性

第3节电力晶体管电路中的电力晶体管发生电压击穿后就不能正常工作，但晶体管并不一定损坏。只要进入击穿的时间很短，且不超过最大允许功率损耗，晶体管的特性还会恢复。实际使用电力晶体管时，为了确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。

第3节电力晶体管3.2.2.2集电极最大允许电流IcM电力晶体管流过的电流过大时，会使晶体管电参数劣化，性能变得不稳定。尤其是发射极电流的集边效应可能导致晶体管损坏。因此，必须规定集电极最大允许电流。通常规定直流电流放大系数hFE下降到规定值的1/2～1/3时，所对应的Ic为集电极最大允许电流IcM。实际使用时要留有较大的安全裕量，只能用到IcM的一半或再略多一点。

第3节电力晶体管3.2.2.3集电极最大耗散功率PcM集电极最大耗散功率是电力晶体管容量的重要标志。晶体管功耗的大小主要由集电结工作电压和工作电流的乘积决定，它将转化为热能，使晶体管升温。如果热量不能及时散掉，晶体管就会因温度过高而烧坏。电力晶体管在关断时集电结电压很高而集电极电流几乎为零；在导通时集电极电流很大而集电结电压很低。因此PcM并不是BUceo和IcM的乘积，而要比这个乘积小得多。实际使用时，集电极允许耗散功率与散热条件(热阻)以及工作环境温度有关。PcM是在最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书中在给出PcM时总是同时给出管壳温度Tc，间接地结出了最高工作温度。

第3节电力晶体管3.2.2.4最高工作结温TjM电力晶体管结温过高时，将导致热击穿而烧坏。TjM是晶体管能正常工作的最高允许结温。

3.2.3电力晶体管的二次击穿与安全工作区电力晶体管即使工作在允许的最高工作电压、集电极允许最大电流和最大耗散功率的范围内，仍有可能突然损坏，其原因主要是发生了二次击穿。二次击穿是影响电力晶体管安全使用和可靠性的重要因素。

第3节电力晶体管3.2.3.1二次击穿当集电极电压升高至前面所述的击穿电压时，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，如果由于外接串联电阻的限制，流过晶体管的电流不太大，一般不会引起晶体管特性变坏。一次击穿出现后，如果继续增高外接电压，则Ic继续增大，当Ic增大到某个临界点时(如图4-9所示的S点)，Uce

会突然降低到一个较小的值，然后Ic迅速增大，这种现象称为二次击穿。

第3节电力晶体管图4-9给出了Ib<0、Ib=0和Ib>0且其值不同时的二次击穿特性。把Ib在不同情况下的二次击穿临界点用虚线连接起来，就构成了二次击穿临界线，临界线上的点反映了二次击穿功率PSB。二次击穿的持续时间在纳秒至微秒的范围内，在这样短的时间内就能使晶体管内部出现明显的电流集中点并引起局部过热，使晶体管彻底损坏。二次击穿对电力晶体管危害极大且故障率高，必须高度重视。

第3节电力晶体管3.2.3.2安全工作区电力晶体管在工作时不能超过最高电压UceM、集电极最大电流IcM和最大功耗PcM，也不能超过二次击穿临界线。这些限制条件就规定了电力晶体管的安全工作区SOA(SafeOperatingArea)，如图4-10所示的阴影区。最大功耗PcM是一条等功率线，二次击穿功率PSB是一条不等功率线。在Uce较低时，PcM<PSB，以PcM曲线为安全区边界，在Uce较高时，PcM>PSB，以PSB

曲线为安全区边界。图4-10表示的是直流电流工作时的安全区，在脉冲电流工作时，安全区变大，脉冲越窄，安全区越大。

第3节电力晶体管图4-9二次击穿特性图4-10电力晶体管的安全工作区

第3节电力晶体管电力晶体管生产厂通常提供的是正偏安全区FBSOA(ForwardBiasSafeOperatingArea)和反偏安全区RBSOA(ReverseBiasSafeOperatingArea)，它们分别指基极正向偏置和反向偏置时的安全工作区。如图4-11所示给出了FBSOA和RBSOA各一例。从图4-11(a)可以看出在脉冲电流工作时安全工作区变大的情况。

第3节电力晶体管图4-11正偏安全区和反偏安全区第4

节电力场效应晶体管

4.3.1电力MOSFET的结构和工作原理4.2.2电力MOSFET的主要参数

4.3.3MOSFET的检测方法

第4节

电力场效应晶体管

小功率场效应晶体管有结型和绝缘栅型两种类型。电力场效应晶体管也有这两种类型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)，而把结型电力场效应晶体管称作静电感应晶体管(SIT)。本节主要讨论电力MOSFET。第4节

电力场效应晶体管

电力场效应晶体管在导通时只有一种极性的载流子(多数载流子)参与导电，是单极型晶体管。电力场效应晶体管是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点是驱动电路简单，驱动功率小。其第二个显著特点是开关速度快，工作频率高，电力MOSFET的工作频率在所有电力电子器件中是最高的。另外，电力MOSFET的热稳定性优于双极型电力晶体管。但是电力MOSFET电流容量小，耐压低，只适用于小功率电力电子装置。

第4节电力场效应晶体管

4.3.1电力MOSFET的结构和工作原理

4.3.1.1电力MOSFET的结构MOSFET的种类和结构很多。按导电沟道可分为P沟道和N沟道。当栅极电压为零时，漏、源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型；对于N(P)沟道器件，栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道的称为增强型。在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。

第4节电力场效应晶体管电力MOSFET和小功率MOS管导电机理相同，但在结构上有较大的区别。小功率MOS管是由一次扩散形成的器件，其栅极G、源极S和漏极D在芯片同一侧，导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件。要使其流过很大的电流，必须增大芯片面积和厚度，很难制成大功率管。电力MOSFET是由两次扩散形成的器件。一般100V以下的器件是横向导电的，称为横向双扩散(Lateraldoublediffused)器件，简称LDMOS。而电压较高的器件制成垂直导电型的，称为垂直双扩散(VerticalDoubleDiffused)器件，简称VDMOS。这种器件是把漏极移到另一个表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于加大电流密度和减小芯片面积。本节主要以VDMOS型器件为例进行讨论。

第4节电力场效应晶体管4.3.1.2电力MOSFET的工作原理电力MOSFET是多元集成结构，一个器件由许多个小MOSFET元组成。为有效利用器件面积，每个元常制成六边形、正方形或条形。如图4-12(a)所示是VDMOS中一个单元的截面图，它是在电阻率很低的重掺杂N+衬底上生长一层漂移层N，该层的厚度和杂质浓度决定了器件的正向阻断能力。然后在漂移层上再生长一层很薄的栅极氧化物，在氧化物上沉积多晶硅栅极。在用光刻法除去一部分氧化物后，进行P区和N+源区双区双扩散，并沉积源极电极。这样，就形成了N沟道增强型电力MOSFET，其电气图形符号如图4-12(b)所示。

第4节电力场效应晶体管当漏极接电源正端，源极接电源负端，栅极和源极间电压为零时，P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏、源极之间无电流流过。如果在栅极和源极之间加一个正电压UGS，由于栅极是绝缘的，所以并不会有栅极电流流过。但栅极的正电压却会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于某一电压值UT

时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。电压UT称为开启电压(或阀值电压)，UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流ID越大。ID和UGS的关系曲线反映了输入电压和输出电流的关系，称为MOSFET的转移特性，如图4-13(a)所示。从图中可以看出，ID较大时，ID与UGS的关系近似为线性，曲线的斜率被定义为MOSFET的跨导Gfs，即

第4节电力场效应晶体管

Gfs=dID/dUGS(4-9)MOSFET是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。

图4-12电力MOSFET的结构和电气图形符号图4-13MOSFET的转移特性和输出特性

第4节电力场效应晶体管如图4-13(b)所示是MOSFET的漏极伏安特性，即输出特性。从图中可以看出，MOSFET有如下3个工作区。(1)截止区：UGS≤UT，ID=0。这和电力晶体管的截止区相对应。(2)饱和区：UGS>UT，UDS≥UGS-UT。当UGS不变时，ID几乎不随UDS的增加而增加，近似为一常数，故称饱和区。这里的饱和区并不对应于电力晶体管的饱和区，而对应于后者的放大区。当用作线性放大时，MOSFET工作在该区。(3)非饱和区：UGS>UT

，UDS<UGS-UT。漏源电压UDS和漏极电流ID之比近似为常数。该区对应于电力晶体管的饱和区。当MOSFET作开关应用而导通时即工作在该区。

第4节电力场效应晶体管在制造电力MOSFET时，为提高跨导并减小导通电阻，在保证所需耐压的条件下，应尽量减小沟道长度。因此，每个MOSFET元都要做得很小，每个元能通过的电流也很小。为了能使器件通过较大的电流，每个器件由许多个MOSFET元组成。MOSFET无反向阻断能力，在漏、源极加反向电压时器件导通，可看作逆导器件。MOSFET的通态电阻具有正温度系数，这一点对器件并联时的均流有利。

第4节电力场效应晶体管

4.3.2电力MOSFET的主要参数前面已经对MOSFET的一些重要参数作了说明，如跨导

Gfs、开启电压UT以及开关过程中的各时间参数td(on)、tr、td(off)、tf等。这里再介绍一些其他的主要参数。4.3.2.1漏极电压UDS该参数是标称MOSFET额定耐压的参数。4.3.2.2漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM

这是标称MOSFET电流定额的参数。确定MOSFET电流定额的方法和电力晶体管不同。电力晶体管的集电极电流过大时，电流放大系数迅速下降。因此的下降程度限制了集电极电流的最大允许值。MOSFET的跨导Gfs则与不同，Gfs随漏极电流的增大而增大，直至达到稳定值。因此，漏极载流能力主要受温升的限制。

第4节电力场效应晶体管4.3.2.3栅源电压UGS栅源之间的绝缘层很薄，UGS>20V将导致绝缘层击穿。4.3.2.4极间电容MOSFET的3个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD和CDS。一般生产厂家提供的是漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss。它们之间的关系是Ciss=CGS+CGD(4-10)Crss=CGD(4-11)

第4节电力场效应晶体管

Coss=CDS+CGD(4-12)前面讲过的输入电容Cin可近似用Ciss代替。这些电容都是非线性的。漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了MOSFET的安全工作区。一般来说，MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一个优点。在实际使用MOSFET时，电压、电流和耗散功率也都要留较大的安全裕量。

第4节电力场效应晶体管

4.3.3MOSFET的检测方法4.3.3.1用测极间电阻法判别结型场效应管的电极G、S、D根据场效应管的PN结正、反向电阻值不一样的现象，可以判别出结型场效应管的3个电极G、S、D。将万用表置于R×1k挡，任选两个电极引脚，分别测出其正、反向电阻值。当某两个电极的正、反向电阻值相等，且为几千欧时，那么另外那个空着的电极是栅极G，则这两个电极便分别是漏极D和源极S。这是因为对结型场效应管而言，漏极和源极可以互换使用。

第4节电力场效应晶体管也可以用万用表的黑表笔(或红表笔)任意接触一个电极，另一只表笔依次去接触其余的两个电极，测其电阻值。当出现两次测得的电阻值近似相等时，则黑表笔所接触的电极为栅极，其余电极分别为漏极和源极。若两次测出的电阻值均很大，说明所测PN结是反向，即测的都是反向电阻，可以判定是N沟道场效应管，且黑表笔接的是栅极；若两次测出的电阻值均很小，说明是正向PN结，即测的是正向电阻，判定为P沟道场效应管，黑表笔接的也是栅极。若不出现上述情况，可以调换黑、红表笔，按上述方法进行测试，直到判别出栅极为止。

第4节电力场效应晶体管4.3.3.2用测电阻法判别场效应管的好坏测电阻法是用万用表测量单场效应管的源极S与漏极D、栅极G或双场效应管S1、D1、G1与S2、D1、G2之间的电阻值同场效应管手册标明的电阻值是否相符去判别其好坏。首先将万用表置于R×10挡或R×100挡，测量源极S与漏极D之间的电阻，通常在几十欧到几千欧范围(在手册中可知，各种不同型号的场效应管，其电阻值是各不相同的)，如果测得阻值大于正常值，可能是由于内部接触不良；如果测得阻值是无穷大，可能是内部断极。然后把万用表置于R×10k挡，再测双管各电极之间的电阻值，若测得其各项电阻值均为无穷大，则说明场效应管是正常的；若测得上述各阻值太小或短路，则说明场效应管是坏的。

第4节电力场效应晶体管4.3.3.3用感应信号输入法估测场效应管的放大能力首先将万用表置于R×100挡，红表笔接源极S，黑表笔接漏极D，给场效应管加上1.5V的电源电压，此时表针指示出的是D、S之间的电阻值RDS。然后用手捏住结型场效应管的栅极G，将人体的感应电压信号加到栅极上。这样，由于管的放大作用，D、S电压UDS和漏极电流ID

都要发生变化，也就是D、S之间电阻RDS

发生了变化，由此可以观察到表针有较大幅度的摆动。如果手捏栅极表针摆动较小，说明场效应管的放大能力较差；如果表针摆动较大，表明场效应管的放大能力大；若表针不动，说明场效应管是坏的。

第4节电力场效应晶体管用这种方法时要注意如下几点：(1)在测试场效应管用手捏住栅极时，万用表指针可能向右摆动(电阻值减小)，也可能向左摆动(电阻值增大)。这是由于人体感应电压较高，而不同的场效应管用电阻挡测量时的工作点可能不同(或者工作在饱和区或者工作在非饱和区)。试验表明，多数管的RDS增大，使表针向左摆动；少数管的RDS减小，使表针向右摆动。但无论表针摆动的方向如何，只要表针摆动幅度较大，就说明此管有较大的放大能力。(2)此方法对MOS场效应管也适用。但要注意，MOS场效应管的输入电阻高，栅极G允许的感应电压不能过高，所以不要直接用手去捏栅极，或用金属杆去碰触栅极以防止人体感应电荷直接加到栅极，引起栅极击穿。

第4节电力场效应晶体管(3)每次测量完毕，应将G—S极之间短路一下。这是因为G—S结电容上会充有少量的电荷，建立起UGS电压，造成再进行测量时表针不真实的摆动，只有将G—S极之间电荷短路放掉才行。

第4节电力场效应晶体管4.3.3.4用测电阻法判别无标志的场效应管首先用测量电阻的方法找出两个有电阻值的管脚，也就是源极S和漏极D，对于双栅极场效应管来说，余下两个脚为第一栅极G1和第二栅极G2。把先用两表笔测得的源极S与漏极D之间的电阻值记下来，对调表笔再测量一次，把其测得的电阻值记下来，两次测得的阻值中较大的一次，黑表笔所接的电极为漏极D，红表笔所接的为源极S。用这种方法判别出来的S、D极，还可以用估测其管的放大能力的方法进行验证，即放大能力大的黑表笔所接的是D极，红表笔所接的是S极，两种方法检测结果应该一样。当确定了漏极D，源极S的位置后，按D、S的对应位置装入电路，一般G1、G2也会依次对准位置，这就确定了两个栅极G1、G2的位置，从而就确定了D、S、G1、G2管脚的顺序。

第4节电力场效应晶体管4.3.3.5用测反向电阻值的变化判断跨导的大小对V-MOS，N沟道增强型场效应管测量跨导性能时，可用红表笔接源极S、黑表笔接漏极D，这就相当于在源、漏极之间加了一个反向电压。此时栅极是开路的，场效应管的反向电阻值是很不稳定的。将万用表置于R×10k的高阻挡，此时表内电压较高。当用手接触栅极G时，会发现场效应管的反向电阻值有明显的变化，其变化越大，说明管的跨导值越高。如果被测管的跨导很小，用此法测时，反向阻值变化不大。第4

节绝缘栅双极型晶体管(IGBT)

4.4.1绝缘栅双极型晶体管的基本结构和工作原理4.4.2绝缘栅双极型晶体管的主要特性

4.4.3IGBT的驱动与保护技术4.4.4IGBT检测方法第5节绝缘栅双极型晶体管(IGBT)

绝缘栅双极型晶体管，也称绝缘门极晶体管，简称IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，是一种新发展起来的复合型电力电子器件。由于它集合了MOSFET和GTR的优点，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大的优点。因此发展速度快，备受青睐。在变频器、电机驱动、开关电源以及其他要求速度快、损耗低的领域，IGBT正逐渐占据着主导地位，并有取代GTR的趋势。

第5节绝缘栅双极型晶体管(IGBT)

5.4.1绝缘栅双极型晶体管的基本结构和工作原理5.4.1.1绝缘栅双极型晶体管的基本结构绝缘栅双极晶体管也是一种多元结构的器件，如图4-14所示为其中一个小元结构的剖面图。与功率MOSFET相比，在漏极N+区下面多了个P+层，形成一个新的PN结J1，器件集电极即从这个P+层引出。栅极和发射极结构则类似于功率MOSFET。因此从电路来看，IGBT相当于一个N沟道MOSFET驱动的PNP型GTR，其等效电路和电路符号如图4-15所示。

第5节绝缘栅双极型晶体管(IGBT)5.4.1.2绝缘栅双极型晶体管的基本工作原理IGBT的开通和关断受栅极电压控制。在栅极正向电压作用下，MOSFET形成沟道，为GTR提供基极电流，IGBT导通。门极施加反向电压后，MOSFET沟道消除，IGBT关断，由于IGBT功率部分是一个PNP型GTR，从而使IGBT正向通态电阻更近似于GTR，比MOSFET小得多，因此即使高耐压的器件也有较低的通态压降。

第5节绝缘栅双极型晶体管(IGBT)图4-14IGBT的结构图4-15IGBT等效电路及符号

第5节绝缘栅双极型晶体管(IGBT)

5.4.2绝缘栅双极型晶体管的主要特性绝缘栅双极型晶体管的工作特性包括静态和动态两类。5.3.2.1静态特性与功率MOSFET相似，IGBT的转移特性和输出特性分别描述器件的控制能力和工作状态。如图4-16所示为IGBT输出特性和转移特性。其转移特性与功率MOSFET十分相似，集电极电流在大部分变化范围内，与栅—射电压近似为线性关系。IGBT也存在栅极开启电压UT，当栅—射电压UGE在UT附近时，集电极电流很小，但变化很大；当UGE<UT时，IGBT关断。

第5节绝缘栅双极型晶体管(IGBT)图4-16IGBT静态特性

第5节绝缘栅双极型晶体管(IGBT)输出特性是IGBT集—射电压UCE和集电极电流IC间的关系。除了参变量为栅—源电压UCE而不是基极电流IB外，与GTR静态伏安特性类似，也可以分为饱和区、放大区、截止区和击穿区。IGBT与MOSFET和GTR不同，在集—射极间加反向电压时，内部J1结和J3结反偏，使它具有反向阻断能力。大多数IGBT正反向阻断能力并非对称，反向低得多，一般为几十伏，因此应用于需要承受反向电压的电路时必须注意。IGBT加于门—射极间电压受集电极最大电流限制，其最佳值一般取15V左右。

第5节绝缘栅双极型晶体管(IGBT)5.3.2.2动态特性IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压UDS下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和区，又增加了一段延迟时间。td(ON)为开通延迟时间，tri为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间tON，即为td(ON)与tri之和。漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成，如图4-17所示。

第5节绝缘栅双极型晶体管(IGBT)图4-17开通时IGBT的电流、电压波形

第5节绝缘栅双极型晶体管(IGBT)IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(OFF)为关断延迟时间，trv为电压UDS(t)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间tf，即由tf1和tf2两段