几种全控型晶体管讲解

问题的提出¾为什么要开发全控型器件？¾半控型器件有哪些限制？在很多情况下，如何将器件关断是一个突出的问题。

¾对关断要求不高，或有其他很有效的方法关断器件时，半控型器件是合适的。

¾反之，就需要全控型器件。

¾5.1 门极可关断晶闸管（GTO）¾5.2 电力晶体管（GTR、PRT）¾5.3 电力场效应晶体管（P-MOSFET）¾5.4 绝缘栅双极晶体管（IGBT）¾5.5 其他全控型电力电子器件¾5.6 模块和智能功率模块（IPM）¾5.7 电力电子技术发展概貌¾5.8 电力半导体器件和装置的保护门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor-GTO）¾晶闸管的一种派生器件。

¾可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。

¾电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，在兆瓦级以上的大功率场合有较多应用ABB 5SGA 30J2501可看成多个小的这些小的SCR结单元一个单元极是被门极包围的条状阴极的宽度越窄，通态电流越容易被关断¾阴极面积太大结论¾GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。

9SCR深度饱和(1.15)，GTO临界饱和(稍大于1)¾GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。

¾多元集成结构使得GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。

5.2 GTO的特性和参数大部分参数和SCR一样或类似，除了：¾门极关断电流I：指GTO从通态转为断GM态所需的门极反向瞬时峰值电流的最小值。

注意：¾GTO管压降要大些，直流通态损耗也大些。

¾GTO的关断是由门极负脉冲完成的，所以门极功耗要大些。

GTO的基本缓冲电路1）GTO 开通和关断时的波形开通时间t on =t d +t r¾t d ——触发延迟时间为门极触发电流从0.1I FGM 上升开始，至GTO 开始导通、阳极电压下降至0.9U d 的时间间隔。

不同类型晶体管的区别和特点晶体管是一种电子器件，用于控制电流通过的开关。

根据其结构和材料特性的不同，晶体管可以分为多种类型，每种类型都具有不同的特点和应用领域。

一、晶体管的分类根据材料类型的不同，晶体管可以分为两大类：硅基晶体管和化合物半导体晶体管。

1. 硅基晶体管硅基晶体管是最常见的晶体管类型，其主要由硅材料制成。

硅材料具有丰富的资源、制造工艺成熟、价格低廉等优点，因此硅基晶体管是最广泛应用的晶体管类型。

硅基晶体管又可分为三类：NPN型、PNP型和MOS型。

（1）NPN型晶体管：NPN型晶体管是最常见的硅基晶体管类型。

其结构由两个N型半导体夹一个P型半导体构成，中间的P型半导体称为基区。

NPN型晶体管通常用于放大电路和开关电路，其特点是集电极和发射极之间的电流放大倍数高，适用于高频和高速的电路。

（2）PNP型晶体管：PNP型晶体管与NPN型晶体管结构相反，由两个P型半导体夹一个N型半导体构成。

PNP型晶体管与NPN型晶体管的工作原理及应用领域相似，但由于电流流动的方向相反，其极性也相反。

（3）MOS型晶体管：MOS型晶体管（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种基于金属-绝缘体-半导体结构的晶体管。

它的主要特点是电流消耗小，输入电阻高，适用于低功耗和高速的电路。

MOS型晶体管广泛应用于数字电路和微处理器等领域。

2. 化合物半导体晶体管化合物半导体晶体管由多种化合物材料构成，如砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）等。

与硅基晶体管相比，化合物半导体晶体管具有更高的载流子迁移率和更好的高频特性，因此在高频和高速电路中具有广泛的应用。

化合物半导体晶体管主要有以下几种类型：HBT、HEMT和MESFET。

（1）HBT（异质结双极型晶体管）：HBT是由不同的材料构成的异质结构，常见的是砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）的组合。

HBT具有高迁移率和高频特性，适用于高速数字电路和射频放大器等领域。

（2）HEMT（高电子迁移率晶体管）：HEMT是一种基于异质结构的晶体管，其材料组合主要是砷化镓（GaAs）和铝镓砷（AlGaAs）。

典型全控型器件的介绍班级学号 :姓名日期一．门极可关断晶闸管1.1门极可关断晶闸管的简介门极可关断晶闸管简称GTO,是一种全控型的晶闸管。

其主要特点为，当栅极加负向触发信号时晶闸管能自行关断，保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。

GTO的容量及使用寿命均超过巨型晶体管（GTR），只是工作频纺比GTR低。

目前，GTO 已达到3000A、4500V的容量。

大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。

1.2门极可关断晶闸管的结构和工作原理GTO是PNPN四层半导体结构，外部引出阳极，阴极和门极，是多元件的功率集成器件，内部由许多的GTO元的阳极和门极并联在一起。

其工作原理可用双晶体管来分析P1N1P1和N1P2N2构成的两个晶体管V1,V2分别具有共基极电流增益α1和α2，普通的晶体管分析，α1+α2=1是器件的临界导电条件，当α1+α2>1时2，当α1+α2<1时不能维持饱和导通而关断。

1.3 GTO的驱动方式及频率当信号要求可关断晶闸管导通时，驱动电路提供上升率足够大的正栅极脉冲电流（其幅度视晶闸管容量不同在0.1到几安培范围内），其正栅极脉冲宽度应保证门极关断晶闸管可靠导通。

当信号要求门极关断晶闸管关断时，驱动电路提供上升率足够大的负栅极脉冲电流，脉冲幅度要求大于可关断晶闸管阳极电流的五分之一，脉冲宽度应大于可关断晶闸管的关断时间和尾部时间。

根据对驱动门极关断晶闸管的特性、容量、应用场合、电路电压、工作频率、可靠性要求和性价比等方面的不同要求，有多种形式的栅极驱动电路。

1.4存在的问题及其最新的发展GTO在使用中，导通时的管压降较大，增加了通态损耗。

对关断负脉冲的要求较高，门极触发电路需要严格设计，否则易在关断过程中烧毁管子。

门极电流应大于元件的擎住电流IL;正负触发脉冲其前沿要陡，后沿要平缓，中小功率电路上升沿小于0.5μs ，大功率电路小于1μs ；门极电路电阻要小，以减小脉冲源内阻由于多元集成，对制造工艺提出极高的要求，它要求必须保持所有GTO元特性一致，开通或关断速度不一致，会使GTO元因电流过大而损坏。

晶体管的分类一、晶体管的概述晶体管是一种半导体器件，用于控制电流的流动。

它是现代电子技术中最重要的元件之一，广泛应用于计算机、通信、电源等领域。

晶体管的分类主要根据其结构和工作原理来进行。

二、按结构分类2.1 管腿型晶体管管腿型晶体管是最早的晶体管类型之一，也是最简单的一种。

它由两个金属电极（基极和发射极）和一个半导体材料组成。

管腿型晶体管的结构简单，制造成本低廉，但其性能相对较差，逐渐被新型晶体管取代。

2.2 管芯型晶体管管芯型晶体管是一种改进型的晶体管，它在管腿型晶体管的基础上增加了一个控制电极（集电极）。

管芯型晶体管的结构更加复杂，但由于集电极的引入，其性能得到了显著提升。

管芯型晶体管广泛应用于各个领域，成为了当时最主要的晶体管类型。

2.3 型面型晶体管型面型晶体管是一种新型的晶体管，它采用了型面技术制造。

型面型晶体管结构更加复杂，但具有更好的性能表现。

型面型晶体管在高频率和高功率应用中表现出色，成为了现代电子技术中的重要组成部分。

三、按工作原理分类3.1 NPN型晶体管NPN型晶体管是一种常见的极性型晶体管，它由两个N型半导体材料（发射区和集电区）夹一个P型半导体材料（基区）组成。

NPN型晶体管的工作原理是通过控制基极电流，调节发射极和集电极之间的电流流动，实现信号放大和开关控制。

3.2 PNP型晶体管PNP型晶体管与NPN型晶体管相似，只是材料的类型和极性相反。

PNP型晶体管的工作原理也是通过控制基极电流，调节发射极和集电极之间的电流流动。

PNP型晶体管常用于与NPN型晶体管组合成逻辑门电路和放大电路。

3.3 MOSFET晶体管MOSFET晶体管是一种特殊的晶体管，它采用了金属-氧化物-半导体结构。

MOSFET 晶体管的工作原理是通过控制栅极电压，调节漏极和源极之间的电流流动。

MOSFET 晶体管具有高输入电阻、低功耗和快速开关速度等优点，广泛应用于集成电路和数字电路中。

3.4 JFET晶体管JFET晶体管是一种结构特殊的晶体管，它采用了PN结的结构。

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。

22222、电力晶体管(GTR) 1）电力晶体管的结构：R NPNPNPA G SK E GI G E AI K I c2I c1I A V 1V 2b)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。

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。

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。

如何选择合适的晶体管类型在现代电子技术中，晶体管是一种重要的元件，广泛应用于各种电子设备中。

选择合适的晶体管类型对于设计和制造高性能电子设备至关重要。

本文将介绍如何选择合适的晶体管类型。

一、了解不同晶体管类型在选择合适的晶体管类型之前，首先需要了解不同种类的晶体管。

常见的晶体管类型包括：BJT (双极型晶体管)、MOSFET (金属-绝缘体-半导体场效应晶体管)、JFET (结型场效应晶体管)和IGBT (绝缘栅双极型晶体管)等。

1. BJT：双极型晶体管是最早被广泛应用的一种晶体管类型，常用于低功率和中功率应用。

它具有较高的放大倍数和较低的输入电阻，适用于放大和开关电路。

2. MOSFET：金属-绝缘体-半导体场效应晶体管是基于金属氧化物半导体结构的一种晶体管类型。

它具有高输入电阻、低功耗和快速开关速度，适用于高频和功率应用。

3. JFET：结型场效应晶体管是一种基于pn结构的一种晶体管类型。

它具有低噪声、高输入电阻和低失真的特点，适用于低噪声放大和开关电路。

4. IGBT：绝缘栅双极型晶体管是一种结合了MOSFET和BJT的特性的晶体管类型。

它具有高电压耐受能力和低开关损耗，适用于高功率应用。

二、根据应用需求选择晶体管类型在选择合适的晶体管类型时，需要根据具体的应用需求进行判断。

1. 功率需求：如果需要高功率应用，MOSFET和IGBT常常是首选，因为它们具有较高的电流和电压耐受能力。

2. 噪声要求：如果需要低噪声应用，JFET是一个较好的选择，因为它具有较低的噪声系数。

3. 高频应用：对于高频应用，MOSFET通常是首选，因为它具有较快的开关速度。

4. 成本因素：BJT是一种普遍易得且成本较低的晶体管类型，适合对成本要求较高的应用。

三、考虑参数和性能选择合适的晶体管类型还需要考虑一些参数和性能指标。

1. 最大耐压：根据需求选择适当的最大电压耐受能力。

2. 最大电流：根据电路需求选择适当的最大电流能力。

晶体管按用途分为几种型号晶体管是一种半导体器件，广泛应用于电子电路中。

根据不同的用途，晶体管可以分为很多不同的型号。

下面我将介绍几种常见的晶体管型号。

1.普通型晶体管：这种型号的晶体管广泛应用于各种电子设备中，如收音机、电视机、计算机等。

它们具有较高的电流放大倍数、较低的电流漏电流和较低的接入电压。

2.功放型晶体管：功放型晶体管是一种专门用于音频功放的晶体管，常用于音响设备、放大器等。

它们具有较高的电流放大倍数和大功率输出能力，可以使音频信号得以放大，并驱动扬声器等设备。

3.开关型晶体管：开关型晶体管主要用于高频开关电路中，如逆变器、开关电源、变频器等。

它们具有快速的开关速度、较低的开关损耗和较高的开关频率，适用于高效率和高频率的开关应用。

4.场效应晶体管：场效应晶体管是一种常用于放大和开关电路的晶体管，广泛应用于电视机、电脑、手机等电子设备中。

它们具有高输入电阻、低噪声、大功率输出能力和较低的漏电流。

5.光电晶体管：光电晶体管是一种特殊的晶体管，用于通过光信号控制电信号。

它们广泛应用于光电开关、光电隔离、光耦合器等领域。

6.双极性晶体管：双极晶体管是一种用于放大和开关电路的常见晶体管，广泛应用于模拟电子设备中。

它们具有高电流放大倍数、低漏电流和较低的接入电压。

7.高压晶体管：高压晶体管是一种特殊的晶体管，适用于高压应用。

它们具有较高的击穿电压、较低的漏电流和较高的功率输出。

8.双极可控晶体管：双极可控晶体管是一种用于控制电流的双极性晶体管，通常用于交流电路中的开关和调光控制。

它们具有较高的控制灵敏度、较低的通过压降和较高的可控能力。

总之，不同的晶体管型号适用于不同的应用场景。

了解不同型号的晶体管特性和应用范围，有助于选择合适的晶体管并设计出更高性能的电子电路。

教案全控型器件的功率晶体管、可关断晶闸管和场效应管教学目标：1、学会功率晶闸管（GTR）的结构与工作原理及其驱动电路。

2、了解可关断晶闸管（GTO）的结构与工作原理。

3、掌握功率场效应晶体管（MOSFET）的结构与工作原理。

教学重点：1．功率场效应晶体管（MOSFET）的结构与工作原理。

教学难点：1、可关断晶闸管（GTO）的结构与工作原理。

教学方法：讲授法教学时间：90分钟试讲教材：电力电子技术（第2版）张涛等编北京：电子工业出版社 2009 教学步骤：一、导入同学们现在先回顾上一节的知识，学习了触发脉冲的形成与放大和锯齿波同步电压的形成。

负半周下降段∶VD1通，C1充电，上(+)下(-)，O接地，R负反馈，Q也为负电位，VT2反偏截止，C1不能经VD1放电。

负半周下降段∶+15V经R1给C 1充电，uQ为C1反向充电波形，上升速度比R点同步电压慢，故VD1截止，Q点电位1.4V时， VT2通，uQ钳制在1.4VuTB相位与主电路相位一致，故可实现同步。

二、新课讲授§5.1功率晶闸管（GTR）的结构与工作原理大功率晶体管又称电力晶体管, 简称GTR ，通常指耗散功率（或输出功率） 1 W 以上的晶体管。

GTR 属于第二代功率半导体器件，它克服了晶闸管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置中。

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；能控制较大的电流和较高的电压。

图5.2 NPN 型达林顿GTR（1）额定电压：GYR 上所加的电压超过规定值时，就会发生击穿。

BU CEO ：基极开路时，集-射极击穿电压。

(2)． 集电极最大耗散功率PCMPCM 即GTR 在最高集电结温度时所对应的耗散功率，它等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。