GTO GTR MOSFET IGBT

简述IGBT的主要特点和工作原理一、简介IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor，是一种复合全控电压驱动功率半导体器件。

由BJT（双极晶体管）和IGFET（绝缘栅场效应晶体管）组成。

IGBT兼有MOSFET 的高输入阻抗和GTR 的低导通压降的优点。

GTR 的饱和电压降低，载流密度大，但驱动电流更大。

MOSFET的驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT结合了以上两种器件的优点，驱动功率小，饱和电压降低。

非常适合用于直流电压600V及以上的变流系统，如交流电机、逆变器、开关电源、照明电路、牵引驱动等领域。

IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极晶体管）和FWD（续流二极管）通过特定的电路桥封装而成的模块化半导体产品。

封装后的IGBT模块直接应用于逆变器、UPS不间断电源等设备。

IGBT模块具有节能、安装维护方便、散热稳定等特点。

一般IGBT也指IGBT模块。

随着节能环保等理念的推进，此类产品将在市场上越来越普遍。

IGBT是能量转换和传输的核心器件，俗称电力电子器件的“CPU”，广泛应用于轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车、新能源设备等领域。

二、IGBT的结构下图显示了一种N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构。

N+区称为源极区，其上的电极称为源极（即发射极E）。

N基区称为漏区。

器件的控制区为栅极区，其上的电极称为栅极（即栅极G）。

沟道形成在栅区的边界处。

C 极和E 极之间的P 型区域称为子通道区域。

漏极区另一侧的P+ 区称为漏极注入器。

它是IGBT独有的功能区，与漏极区和子沟道区一起构成PNP双极晶体管。

它充当发射极，将空穴注入漏极，进行传导调制，并降低器件的通态电压。

《N沟道增强型绝缘栅双极晶体管》IGBT的开关作用是通过加正栅电压形成沟道，为PNP（原NPN）晶体管提供基极电流，使IGBT导通。

反之，加反向栅压消除沟道，切断基极电流，就会关断IGBT。

《电力电子技术》实验指导书南阳师范学院物理与电子工程学院编订人：刘红钊实验一GTR、GTO、MOSFET、IGBT的特性与驱动电路研究一．实验目的1．熟悉GTR、GTO、MOSFET、IGBT的开关特性。

2．掌握GTR、GTO、MOSFET、IGBT缓冲电路的工作原理与参数设计要求。

3．掌握GTR、GTO、MOSFET、IGBT对驱动电路的要求。

4．熟悉GTR、GTO、MOSFET、IGBT主要参数的测量方法。

二．实验内容1．GTR的特性与驱动电路研究。

2．GTO的特性与驱动电路研究。

3．MOSFET的特性与驱动电路研究。

4．IGBT的特性与驱动电路研究。

三．实验设备和仪器1．NMCL-07C电力电子实验箱2．双踪示波器3．万用表（自备）4．教学实验台主控制屏四．实验方法1、GTR的特性与驱动电路研究（1）不同负载时GTR的开关特性测试（a）电阻负载时的开关特性测试GTR：将开关S2拨到＋15V，PWM波形发生器的“21”与面板上的“20”相连，“24与“10”、“12”与“13”和“15”、“17”与GTR的“B”端、14”和GTR的“E”端、“18”与主回路的“3”相连、GTR“C”端与主回路的“1”相连。

E用示波器分别观察，基极驱动信号I B(“15”与“18”之间) 的波形及集电极电流I E(“14”与“18”之间) 的波形，记录开通时间ton，关断时间toff。

ton= us，toff= us（b）电阻、电感性负载时的开关特性测试除了将主回器部分由电阻负载改为电阻、电感性负载以外（即将GTR的C端与“1”断开，而与“2”相连)，其余接线与测试方法同上。

ton= us，toff= us（2不同基极电流时的开关特性测试（a）断开“13”与“15”的连接，将基极回路的“12”与“15”相连，其余接线同上，测量并记录基极驱动信号I B（“15”与“18”之间）及集电极电流I E（“14”与“18”之间）波形，记录开通时间ton，关断时间toff。

晶闸管和IGBT有什么区别？功率晶闸管（SCR）在过去相当一段时间里，几乎是能够承受高电压和大电流的唯一半导体器件。

因此，针对SCR的不足，人们又研制开发出了门极关断晶闸管（GTO）。

用GTO 晶闸管作为逆变器件取得了较为满意的结果，但其关断控制较易失败，仍较复杂，工作频率也不够高。

几乎与此同时，电力晶体管（GTR）迅速发展了起来。

绝缘栅双极晶体管IGBT是MOSFET和GTR相结合的产物。

其主体部分与晶体管相同，也有集电极和发射极，但驱动部分却和场效应晶体管相同，是绝缘栅结构。

IGBT的工作特点是，控制部分与场效应晶体管相同，控制信号为电压信号 UGE，输人阻抗很高，栅极电流I G≈0，故驱动功率很小。

而其主电路部分则与GTR相同，工作电流为集电极电流，工作频率可达20kHz。

由IGBT作为逆变器件的变频器载波频率一般都在10kHz以上，故电动机的电流波形比较平滑，基本无电磁噪声。

虽然硅双极型及场控型功率器件的研究已趋成熟，但是它们的性能仍待提高和改善，而1996年出现的集成门极换流晶闸管（IGCT）有迅速取代 GTO的趋势。

集成门极换流晶闸管（IGCT）是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的器件。

门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一个新型电力半导体器件，它不仅与GTO有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，兼有GTO和IGBT之所长，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件。

IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器容量0.5～3MVA，三电平逆变器1～6MVA；若反向二极管分离，不与IGCT 集成在一起，二电平逆变器容量可扩至4. 5MVA，三电平扩至9MVA。

目前IGCT已经商品化，ABB公司制造的IGCT产品的最高性能参数为 4.5kV／4kA，最高研制水平为6kV/4kA[1]。

1998 年，日本三菱公司也开发了直径为88mm的6kV/4kA的GCT晶闸管。

实验二 GTO、MOSFET、GTR、IGBT驱动与保护电路实验一、实验目的(1)理解各种自关断器件对驱动与保护电路的要求。

(2)熟悉各种自关断器件的驱动与保护电路的结构及特点。

(3)掌握由自关断器件构成PWM直流斩波电路原理与方法。

二、实验所需挂件及附件序号型号备注1 PE-01电源控制屏该控制屏包含“单相自藕调压器”，“整流滤波”等几个模块。

2 PE-14功率器件驱动与保护电路(一) 该挂件包含“IGBT”以及“MOSFET”等。

3 PE-15功率器件驱动与保护电路(二)该挂件包含“GTR”以及“GTO”等。

4 双踪示波器自备5 万用表自备三、实验线路及原理实验接线及实验原理图如图5-2所示，图中直流电源可由控制屏上的直流电压提供(小容量)，或由控制屏上三相交流电源经整流滤波后输出(大容量)，直流电压、电流表及限流电阻R 均从电源控制屏上取，限流电阻将两个900Ω接成并联形式(或使用PE-25上的灯泡)。

控制部分共分为五部分内容，PWM发生电路、IGBT驱动保护电路、MOSFET驱动保护电路、GTO驱动保护电路及GTR驱动保护电路；其中前三个电路在PE-14挂件上，剩下部分在PE-15挂件上。

图5-2 自关断器件的实验接线及原理图四、实验内容(1)GTR的驱动与保护电路实验(2)GTO的驱动与保护电路实验(3)MOSFET的驱动与保护电路实验(4)IGBT的驱动与保护电路实验(5)研究PWM的工作频率对驱动电路的影响五、实验方法(1)GTR的驱动与保护电路实验把PE-14挂件上的PWM发生电路中的频率选择开关拨至“低频档”。

然后调节频率电位器RP1，使PWM波输出频率在“200Hz”左右。

驱动与保护电路接线时，要注意控制电源及接地的正确连接。

对于GTR器件，采用±5V电源驱动；接线时，将PE-14上的PWM波形输出端接PE-15上的GTR驱动模块的输入端，GTR所需的±5V电源也从PE-14取。

考虑题与习题1.独立考虑以下各小题，分不从“SCR、GTO、GTR、功率MOSEFT 和IGBT〞中选择适宜的词填写在各小题的括号里。

〔1〕〔〕是半控器件，〔〕和〔〕是全控器件。

〔2〕〔〕和〔〕所需驱动电路的静态功耗接近于0。

〔3〕要是盼瞧导通电流为15A时，器件主回路的导通压落小于220mV，那么应选用〔〕作为主开关器件。

〔4〕除功率MOSFET外，〔〕的输进特性与功率MOSFET的输进特性类似。

〔5〕〔〕在导通电流为500A条件下，为了将它关断，它的操纵极所需反向关断电流之峰值的尽对值需超过100A。

〔6〕〔〕的输进特性与双极型三极管的输进特性类似。

〔7〕要是盼瞧制做一个升压型DC-DC变换电路，将450V直流电源升高为650V直流电源，最大输出电流为200A，斩波频率为15KHz，那么应选用〔〕作为主开关器件。

〔8〕〔〕要是差不多导通，在主回路电流大于10A条件下，即使操纵信号变为负值，它也不能关断。

2.分析比立SCR〔一般晶闸管〕、双向SCR〔双向晶闸管〕、GTO〔可关断晶闸管〕、GTR〔电力双极型晶体管〕、功率MOSFET和IGBT等电力电子器件的性能，答复以下咨询题：〔1〕哪种器件的工作频率最高？〔2〕哪种器件的容量较小？〔3〕哪种器件既可由操纵信号正向开通，也可由操纵信号反向开通？〔4〕哪些是半控器件？〔5〕哪些是全控器件？〔6〕Ron是哪种器件的参数？〔7〕哪种器件的输进特性与功率MOSFET的输进特性类似，而且它的输出特性与GTR的输出特性类似？〔8〕在器件的通态电流与300A条件下，为了将它关断，哪种器件的操纵极所需反向关断电流之峰值的尽对值应超过60A？〔9〕要是在静态〔电流、电压、操纵信号的幅值和电路参数维持不变〕条件下，测得一个器件的操纵极电压为+10V，主电路的电流为20A，主回路的管压落为200mV。

咨询：它属于哪种器件？〔10〕要是盼瞧在每个工作周期内，器件导通和关断的持续时刻各为约10ms,那么，哪些可控器件相应的操纵信号为高电平的持续时刻必须大于5ms？而另外哪些可控器件相应的操纵信号为高电平的持续时刻可小于5ms？3.一般晶闸管〔SCR〕与负载电阻串联接单相交流市电，其标称值为220V〔有效值〕，电网电压动摇不超过20%。

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。

2222R NPNPNPA G SK E GI G E AI K I c2I c1I A V 1V 2b)2、电力晶体管(GTR) 1）电力晶体管的结构：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。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

目录结构工作特性发展历史输出特性与转移特性模块简介等效电路结构工作特性发展历史输出特性与转移特性模块简介等效电路展开编辑本段结构IGBT结构图左边所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。

P+ 区称为漏区。

器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。

沟道在紧靠栅区边界形成。

在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ Subchannel region ）。

而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。

附于漏注入区上的电极称为漏极。

IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。

反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。

IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。

当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。

1 概述上海首批交流传动地铁车辆，现编号为AC01/02 型电动列车，是上世纪90 年代末从德国引进的先进的交流传动车辆，其关键的核心部件是采用当时先进的可关断晶闸管GTO 构成的主牵引逆变器。

由于电力电子技术的进步与发展，新一代性能优良的绝缘栅双极型晶体管IGBT 模块的电压电流等级有突破性的提高，电压等级已从1 700 V增加到3 300 V、4 500 V及6 500 V，电流也从600 A上升到800 A、1 200 A及2 400 A等。

此外，IGBT 模块在性能上比GTO 器件有多项优点：开关损耗小，开关频率较高；可结合层压低感母线实现无吸收电路；属电压型驱动，电路功耗较低；具有抗短路自保护能力；改进了材料与工艺使其满足牵引对热交变负载工况的要求；绝缘式模块也简化了散热器与变流装置的结构等[1]。

因此，采用IGBT构成的变流装置比GTO 的体积小、重量轻、效率高，并且性能也好，所以在城市轨道电动车辆牵引领域中所应用的GTO已在不断地被IGBT模块取代，高压IGBT模块（或HVIGBT）已成为轨道车辆上选用的主流产品。

考虑到GTO退出在轨道车辆中的应用，进而开展对这类进口的GTO车辆进行IGBT 的国产化替代研制是非常必要，并且具有重要的经济意义和重大的社会效益。

GTO牵引逆变器的核心部件是由3 个牵引相模块和1 个制动斩波模块所构成，这里主要阐述对制动斩波模块的IGTB的国产化替代研制，因为对牵引相模块已完成了相应的替代研制[2]。

2 GTO 制动斩波模块在AC01/02 型电动列车上的GTO 牵引逆变器中，其制动斩波模块是用于当电网不能吸收再生制动反馈来的电能时将此反馈能量消耗在制动电阻上。

2.1 制动斩波模块结构制动斩波模块的结构与逆变器的牵引相模块结构类似，如图1所示。

其结构部件可分为用于安装各类组件的散热器底盘；构成制动斩波模块的两个晶闸管GTO 及其续流管D 和制动电阻的续流管；用于吸收换流尖峰电压的电阻、电容和二极管组成的低损耗的吸收电路；晶闸管GTO 用的门极驱动组件，它由A3、A2 和A1三个小部件构成，以及三个小部组件之间的连线及光缆等；此外还有温控小部件。

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。

现在，多数变频器采用IGBT器件，而老的变频器用的是GTR器件，请问它们之间的区别是什么？该怎样识别变频器采用的是IGBT还是GTR？答：变频技术是建立在现代电力电子技术基础之上的。

20世纪90年代之前，通用变频器采用的功率器件主要是大功率晶体管（GTR，即Giant Transistor ),也称巨型晶体管。

这是一种达林顿结构、靠基极电流驱动的功率开关器件，器件的额定电流越大，所需驱动的电流也越大。

90年代之后，绝缘栅双极型晶体管（IGBT即insulated TATE Bipolar Transistor)以及智能功率模块（IPM）问世。

这是一种电压控制型（开通电压为+15v、关断电压为-5v~-10v）、集GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性与一体的功率器件。

显然，IGBT的应用使变频器的性能有了很大的提高，变频器朝着损耗更低、开关速度更快、体积更小等方面发展。

采用IGBT的变频器的特点有：（1）IGBT开关器件发热减小，将曾经占变频器主回路发热量50%~70%的器件发热量降低了30%以上；（2）高载波控制，使输出电流波形有明显改善；（3）开关频率提高，可达20KHz实现了电动机运行的静音化；（4）驱动功率小，使变频器体积更小。

要识别GTR和IGBT变频器，可通过品牌及型号进行查询，在确认的同时还可以了解其各种参数；也可以从模块上的记号初步判别，GTR的控制极（尺寸较小的极）通常用B来表示，而IGBT的控制极往往用G来表示。

当然，还可以通过指针式万用表测量它们的控制极电阻来加以区别。

由于IGBT的G-E只存在结电容，所以电阻值为无穷大；而GTR的B-E和B-C为PN结构，一般说来，能测出不同的正反向电阻值（注意：R×1 R×10 R×100对于多级达林顿GTR测量会有些困难）。