電力電子技術(shù)主編徐立娟

GTR、PowerMOSFET、IGBT、GTO及其測試

1項目描述2任務(wù)描述與目標(biāo)3相關(guān)知識4任務(wù)實施提

綱

一、項目描述項目描述：開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的時間比例，改變輸出電壓的電源，是一種高效率、高可靠性、小型化、輕型化的穩(wěn)壓電源，是電子設(shè)備的主流電源。開關(guān)電源原理如圖。輸入AC220V、50Hz的交流電，經(jīng)過濾波器、整流后變?yōu)?00V左右的高壓直流電，然后通過開關(guān)電路將直流電變成連續(xù)的脈沖，脈沖經(jīng)整流及濾波后變?yōu)榈蛪褐绷麟姟?/p>

二、任務(wù)描述與目標(biāo)任務(wù)名稱：GTR、PowerMOSFET、IGBT、GTO及其測試任務(wù)描述：前面分析的電路中，用到的普通晶閘管和雙向晶閘管都屬于半控型器件，即通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷的器件。這類器件在用于直流輸入電壓的電路如DC/DC變換電路、逆變電路中時，存在如何將器件關(guān)斷的問題。全控型器件是指控制極不僅可以控制導(dǎo)通，而且可以控制關(guān)斷的器件，又稱自關(guān)斷器件，能夠從根本上解決開關(guān)切換和換流的問題。本任務(wù)主要介紹GTR、PowerMOSFET、IGBT、GTO這4種全控型器件及其測試。

二、任務(wù)描述與目標(biāo)任務(wù)目標(biāo)：（1）觀察GTR、PowerMOSFET、IGBT、GTO的外形，認(rèn)識器件的外形結(jié)構(gòu)、端子及型號。（2）通過測試，判別器件的引腳、器件的好壞。（3）通過選擇器件，掌握器件的基本參數(shù)，具備成本核算能力。

三、相關(guān)知識GTR01GTR結(jié)構(gòu)和工作原理都和小功率晶體管非常相似。由3層半導(dǎo)體、2個PN結(jié)組成，有PNP和NPN兩種結(jié)構(gòu)GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

三、相關(guān)知識GTR01常見GTR外形GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

三、相關(guān)知識GTR01對于大功率晶體三極管，外形一般分為F型、G型兩種。如圖（a）所示，F(xiàn)型管從外形上只能看到2個電極，將引腳底面朝上，2個電極引腳置于左側(cè)，上面為e極，下為b極，底座為c極。G型管的3個電極的分布如圖（b）所示。GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

三、相關(guān)知識GTR01工作原理：在電力電子技術(shù)中，GTR主要工作在開關(guān)狀態(tài)。晶體管通常連接成共發(fā)射極電路，NPN型GTR工作原理：（1）在正偏（IB>0）時大電流導(dǎo)通；（2）反偏（IB<0）時處于截止高電壓狀態(tài)。因此，給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅(qū)動信號，它將工作于導(dǎo)通和截止的開關(guān)工作狀態(tài)。GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

三、相關(guān)知識GTR01GTR的基本特性：①靜態(tài)特性。共發(fā)射極接法時，GTR的典型輸出特性如圖所示，可分為3個工作區(qū)。GTR的特性與主要參數(shù)截止區(qū)。在截止區(qū)內(nèi)，IB≤0，UBE≤0，UBC＜0，集電極只有漏電流流過。放大區(qū)。IB＞0，UBE＞0，UBC＜0，IC=βIB。飽和區(qū)。

，UBE＞0，UBC＞0。ICS是集電極飽和電流，其值由外電路決定。2個PN結(jié)都為正向偏置是飽和的特征。

三、相關(guān)知識GTR01飽和時集電極、發(fā)射極間的管壓降UCES很小，相當(dāng)于開關(guān)接通，這時盡管電流很大，但損耗并不大。GTR剛進(jìn)入飽和時為臨界飽和，如果IB繼續(xù)增加，則為過飽和。GTR用作開關(guān)時，應(yīng)工作在深度飽和狀態(tài)，這有利于降低UCES和減小導(dǎo)通時的損耗。GTR的特性與主要參數(shù)

三、相關(guān)知識GTR01②動態(tài)特性。動態(tài)特性描述GTR開關(guān)過程的瞬態(tài)性能，又稱開關(guān)特性。GTR在實際應(yīng)用中，通常工作在頻繁開關(guān)狀態(tài)。為正確、有效地使用GTR，應(yīng)了解其開關(guān)特性。圖所示為GTR開關(guān)特性的基極、集電極電流波形。GTR的特性與主要參數(shù)整個工作過程分為開通過程、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過程、阻斷狀態(tài)4個不同的階段。

三、相關(guān)知識GTR01GTR的特性與主要參數(shù)要關(guān)斷GTR，通常給基極加一個負(fù)的電流脈沖。GTR在關(guān)斷時漏電流很小，導(dǎo)通時飽和壓降很小。因此，GTR在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)下?lián)p耗都很小，但在關(guān)斷和導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換過程中，電流和電壓都較大，所以開關(guān)過程中損耗也較大。當(dāng)開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗是總損耗的主要部分。因此，縮短開通和關(guān)斷時間對降低損耗，提高效率和運行可靠性很有意義。

三、相關(guān)知識GTR01GTR的特性與主要參數(shù)GTR的參數(shù)：這里主要講述GTR的極限參數(shù)，即最高工作電壓、最大工作電流、最大耗散功率和最高工作結(jié)溫等。①最高工作電壓。GTR上所施加的電壓超過規(guī)定值時，就會發(fā)生擊穿。擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。

三、相關(guān)知識GTR01GTR的特性與主要參數(shù)GTR的參數(shù)：U（BR）CBO：發(fā)射極開路時，集電極和基極間的反向擊穿電壓。U（BR）CEO：基極開路時，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。U（BR）CER：實際電路中，GTR的發(fā)射極和基極之間常接有電阻R，這時用U（BR）CER表示集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。U（BR）CES：當(dāng)R為0，即發(fā)射極和基極短路，用U（BR）CES表示其擊穿電壓。U（BR）CEX：發(fā)射結(jié)反向偏置時，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。其中U（BR）CBO＞U（BR）CEX＞U（BR）CES＞U（BR）CER＞U（BR）CEO，實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比U（BR）CEO低得多。

三、相關(guān)知識GTR01GTR的特性與主要參數(shù)GTR的參數(shù)：②集電極最大允許電流ICM。GTR流過的電流過大，會使GTR參數(shù)劣化，性能將變得不穩(wěn)定，尤其是發(fā)射極的集邊效應(yīng)可能導(dǎo)致GTR損壞。因此，必須規(guī)定集電極最大允許電流值。通常規(guī)定共發(fā)射極電流放大系數(shù)下降到規(guī)定值的1/2～1/3時，所對應(yīng)的電流IC為集電極最大允許電流，用ICM表示。實際使用時還要留有較大的安全余量，一般只能用到ICM值的一半或稍多些。

三、相關(guān)知識GTR01GTR的特性與主要參數(shù)GTR的參數(shù)：③集電極最大耗散功率PCM。集電極最大耗散功率是在最高工作溫度下允許的耗散功率，用PCM表示。它是GTR容量的重要標(biāo)志。晶體管功耗的大小主要由集電極工作電壓和工作電流的乘積來決定，它將轉(zhuǎn)化為熱能使晶體管升溫，晶體管會因溫度過高而損壞。實際使用時，集電極允許耗散功率和散熱條件與工作環(huán)境溫度有關(guān)。所以在使用中應(yīng)特別注意值IC不能過大，散熱條件要好。④最高工作結(jié)溫TJM。GTR正常工作允許的最高結(jié)溫，以TJM表示。GTR結(jié)溫過高時，會導(dǎo)致熱擊穿而燒壞。

三、相關(guān)知識GTR01GTR的型號及命名（1）國產(chǎn)晶體三極管的型號及命名。國產(chǎn)晶體三極管的型號及命名通常由以下4部分組成。①第一部分，用3表示三極管的電極數(shù)目。②第二部分，用A、B、C、D字母表示三極管的材料和極性。其中A表示三極管為PNP型鍺管，B表示三極管為NPN型鍺管，C表示三極管為PNP型硅管，D表示三極管為NPN型硅管。③第三部分，用字母表示三極管的類型。X表示低頻小功率管，G表示高頻小功率管，D表示低頻大功率管，A表示高頻大功率管。

三、相關(guān)知識GTR01GTR的型號及命名④第四部分，用數(shù)字和字母表示三極管的序號和擋級，用于區(qū)別同類三極管器件的某項參數(shù)的不同?，F(xiàn)舉例說明如下。3DD102B——NPN低頻大功率硅三極管；3AD30C——PNP低頻大功率鍺三極管；3AA1——PNP高頻大功率鍺三極管。

三、相關(guān)知識GTR01GTR的型號及命名（2）日本半導(dǎo)體分立器件型號命名方法。日本生產(chǎn)的半導(dǎo)體分立器件，由5～7部分組成。通常只用到前5部分，其各部分的符號意義見表。第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分2表示三極或具有2個PN結(jié)的其他器件S表示已在日本電子工業(yè)協(xié)會JEIA注冊登記的半導(dǎo)體分立器件A表示PNP型高頻管用數(shù)字表示在日本電子工業(yè)協(xié)會JEIA登記的順序號A、B、C、D、E、F表示這一器件是原型號產(chǎn)品的改進(jìn)產(chǎn)品B表示PNP型低頻管C表示NPN型高頻管D表示NPN型低頻管

三、相關(guān)知識GTR01GTR的型號及命名（3）美國半導(dǎo)體分立器件型號命名方法。美國晶體管或其他半導(dǎo)體器件的命名法較混亂。美國電子工業(yè)協(xié)會半導(dǎo)體分立器件命名方法見表。第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用符號表示器件用途的類型。JAN表示軍級、JANTX表示特軍級、JANTXV表示超特軍級、JANS表示宇航級、（無）表示非軍用品2表示三極管N表示該器件已在美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）注冊登記美國電子工業(yè)協(xié)會登記順序號用字母表示器件分檔如2N6058——已在美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）注冊登記的三極管了

三、相關(guān)知識GTR01GTR的型號及命名（4）國際電子聯(lián)合會半導(dǎo)體器件型號命名方法。德國、法國、意大利、荷蘭、比利時等歐洲國家以及匈牙利、羅馬尼亞、南斯拉夫、波蘭等東歐國家，大都采用國際電子聯(lián)合會半導(dǎo)體分立器件型號命名方法。這種命名方法由4個基本部分組成，各部分的符號及意義見表。第一部分第二部分第三部分第四部分A表示鍺材料B表示硅材料C表示低頻小功率三極管D表示低頻大功率三極管F表示高頻小功率三極管L表示高頻大功率三極管S表示小功率開關(guān)管U表示大功率開關(guān)管用數(shù)字或字母加數(shù)字表示登記號A、B、C、D、E表示同一型號的器件按某一參數(shù)進(jìn)行分檔的標(biāo)志如，BDX51-表示NPN硅低頻大功率三極管。

三、相關(guān)知識PowerMOSFET02PowerMOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理功率場效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）也叫電力場效應(yīng)晶體管，是一種單極型的電壓控制器件，不但有自關(guān)斷能力，而且有驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、安全工作區(qū)寬等特點。由于其易于驅(qū)動和開關(guān)頻率可高達(dá)500kHz，特別適于高頻化電力電子裝置，如應(yīng)用于DC/DC變換、開關(guān)電源、便攜式電子設(shè)備、航空航天以及汽車等電子電器設(shè)備中。但因為其電流、熱容量小，耐壓低，一般只適用于小功率電力電子裝置。

三、相關(guān)知識PowerMOSFET02PowerMOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理（1）結(jié)構(gòu)。功率場效應(yīng)晶體管是壓控型器件，其門極控制信號是電壓。它的3個極分別是：柵極（G）、源極（S）、漏極（D）。功率場效應(yīng)晶體管有N溝道和P溝道兩種。N溝道中載流子是電子，P溝道中載流子是空穴，都是多數(shù)載流子。其中每一類又可分為增強型和耗盡型兩種。耗盡型就是當(dāng)柵源兩極間電壓UGS=0時存在導(dǎo)電溝道，漏極電流ID≠0；增強型就是當(dāng)UGS=0時沒有導(dǎo)電溝道，ID=0，只有當(dāng)UGS＞0（N溝道）或UGS＜0（P溝道）時才開始有ID。功率MOSFET絕大多數(shù)是N溝道增強型，這是因為電子作用比空穴大得多。N溝道和P溝道MOSFET的電氣圖形符號如下圖所示。

三、相關(guān)知識PowerMOSFET02PowerMOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

三、相關(guān)知識PowerMOSFET02PowerMOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理功率場效應(yīng)晶體管與小功率場效應(yīng)晶體管原理基本相同，但是為了提高電流容量和耐壓能力，在芯片結(jié)構(gòu)上卻有很大不同，功率場效應(yīng)晶體管采用小單元集成結(jié)構(gòu)來提高電流容量和耐壓能力，并且采用垂直導(dǎo)電排列來提高耐壓能力。幾種功率場效應(yīng)晶體管的外形如下圖所示。大多數(shù)功率場效應(yīng)晶體管的引腳位置排列順序是相同的，即從場效應(yīng)晶體管的底部（管體的背面）看，按逆時針方向依次為漏極D、源極S、柵極G1和柵極G2。因此，只要用萬用表測出漏極D和源極S，即可找出2個柵極。

三、相關(guān)知識PowerMOSFET02PowerMOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

三、相關(guān)知識PowerMOSFET02PowerMOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理（1）工作原理。當(dāng)D、S加正電壓（漏極為正，源極為負(fù)），UGS=0時，P體區(qū)和N漏區(qū)的PN結(jié)反偏，D、S之間無電流通過。如果在G、S之間加一正電壓UGS，由于柵極是絕緣的，所以不會有電流流過，但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少數(shù)載流子電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當(dāng)UGS大于某一電壓UT時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，從而使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。電壓UT稱開啟電壓或閥值電壓，UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強，漏極電流越大。

三、相關(guān)知識PowerMOSFET02PowerMOSFET的特性與參數(shù)（1）功率MOSFET的特性。①轉(zhuǎn)移特性。ID和UGS的關(guān)系曲線反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系，稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。如下圖（a）所示。從圖中可知，ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率被定義為功率MOSFET的跨導(dǎo)，即：。MOSFET是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。

三、相關(guān)知識PowerMOSFET02PowerMOSFET的特性與參數(shù)

三、相關(guān)知識PowerMOSFET02PowerMOSFET的特性與參數(shù)②輸出特性。上圖（b）所示為MOSFET的漏極伏安特性，即輸出特性。從圖中可以看出，MOSFET有3個工作區(qū)。截止區(qū)。UGS≤UT，ID=0，這和大功率晶體管的截止區(qū)相對應(yīng)。飽和區(qū)。UGS＞UT，UDS≥UGS?UT，當(dāng)UGS不變時，ID幾乎不隨UDS的增加而增加，近似為一常數(shù)，故稱飽和區(qū)。這里的飽和區(qū)并不和大功率晶體管的飽和區(qū)對應(yīng)，而對應(yīng)于后者的放大區(qū)。當(dāng)用作線性放大時，功率MOSFET工作在該區(qū)。

三、相關(guān)知識PowerMOSFET02PowerMOSFET的特性與參數(shù)非飽和區(qū)。UGS＞UT，UDS＜UGS?UT，漏源電壓UDS和漏極電流ID之比近似為常數(shù)。該區(qū)對應(yīng)于功率MOSFET的飽和區(qū)。當(dāng)功率MOSFET作開關(guān)應(yīng)用而導(dǎo)通時，即工作在該區(qū)。在制造功率MOSFET時，為提高跨導(dǎo)并減少導(dǎo)通電阻，在保證所需耐壓的條件下，應(yīng)盡量減小溝道長度。因此，每個功率MOSFET元都要做得很小，每個元能通過的電流也很小。為了能使器件通過較大的電流，每個器件由許多個功率MOSFET元組成。

三、相關(guān)知識PowerMOSFET02PowerMOSFET的特性與參數(shù)③開關(guān)特性。下圖（a）是用來測試MOSFET開關(guān)特性的電路。圖中uP為矩形脈沖電壓信號源，波形如圖（b）所示，RS為信號源內(nèi)阻，RG為柵極電阻，RL為漏極負(fù)載電阻，RF用于檢測漏極電流。因為功率MOSFET存在輸入電容Cin，所以當(dāng)脈沖電壓uP的前沿到來時，Cin有充電過程，柵極電壓UGS呈指數(shù)曲線上升，如圖（b）所示。當(dāng)UGS上升到開啟電壓UT時開始出現(xiàn)漏極電流iD。從uP的前沿時刻到uGS=UT的時刻，這段時間稱為開通延遲時間td(on)。此后，iD隨UGS的上升而上升。uGS從開啟電壓上升到功率MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGSP這段時間稱為上升時間tr，這時相當(dāng)于大功率晶體管的臨界飽和，漏極電流iD也達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。iD的穩(wěn)態(tài)值由漏極電壓和漏極負(fù)載電阻所決定，UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)。

三、相關(guān)知識PowerMOSFET02PowerMOSFET的特性與參數(shù)

三、相關(guān)知識PowerMOSFET02PowerMOSFET的特性與參數(shù)uGS的值達(dá)UGSP后，在脈沖信號源uP的作用下繼續(xù)升高直至到達(dá)穩(wěn)態(tài)值，但iD已不再變化，相當(dāng)于功率晶體管處于飽和。功率MOSFET的開通時間ton為開通延遲時間td(on)與上升時間tr之和，即ton=td(on)+tr當(dāng)脈沖電壓uP下降到零時，柵極輸入電容Cin通過信號源內(nèi)阻Rs和柵極電阻RG（≥RS）開始放電，柵極電壓uGS按指數(shù)曲線下降，當(dāng)下降到UGSP時，漏極電流iD才開始減小，這段時間稱為關(guān)斷延遲時間td(off)。此后，Cin繼續(xù)放電，uGS從UGSP繼續(xù)下降，iD減小，到uGS小于UT時溝道消失，iD下降到零。這段時間稱為下降時間tf。關(guān)斷延遲時間td(off)和下降時間tf之和為關(guān)斷時間toff，即toff=td(off)+tf

三、相關(guān)知識PowerMOSFET02PowerMOSFET的特性與參數(shù)從上面的分析可以看出，功率MOSFET的開關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系。使用者雖然無法降低其Cin值，但可以降低柵極驅(qū)動回路信號源內(nèi)阻RS的值，從而減小柵極回路的充放電時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。功率MOSFET的工作頻率可達(dá)100kHz以上。功率MOSFET是場控型器件，在靜態(tài)時幾乎不需要輸入電流。但是在開關(guān)過程中需要對輸入電容充放電，仍需要一定的驅(qū)動功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。

三、相關(guān)知識PowerMOSFET02PowerMOSFET的特性與參數(shù)（2）功率MOSFET的主要參數(shù)。①漏極電壓UDS。它就是MOSFET的額定電壓，選用時必須留有較大安全余量。②漏極最大允許電流IDM。它就是MOSFET的額定電流，其大小主要受管子的溫升限制。③柵源電壓UGS。柵極與源極之間的絕緣層很薄，承受電壓很低，一般不得超過20V，否則絕緣層可能被擊穿而損壞，使用中應(yīng)加以注意。總之，為了安全可靠，在選用MOSFET時，對電壓、電流的額定等級都應(yīng)留有較大余量。

三、相關(guān)知識PowerMOSFET02PowerMOSFET型號及命名（1）國產(chǎn)場效應(yīng)晶體管的型號及命名。國產(chǎn)場效應(yīng)晶體管的第一種命名方法與晶體三極管相同，第一位數(shù)字表示電極數(shù)目，第二位字母代表材料（D表示P型硅，反型層是N溝道，C表示N型硅P溝道，第三位字母J代表結(jié)型場效應(yīng)管，O代表絕緣柵場效應(yīng)管。例如3DJ6D是結(jié)型N溝道場效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場效應(yīng)三極管。第二種命名方法是CS××#，CS代表場效應(yīng)管，××以數(shù)字代表型號的序號，#用字母代表同一型號中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。

三、相關(guān)知識PowerMOSFET02PowerMOSFET型號及命名（2）美國晶體管型號命名法。美國晶體管型號命名法規(guī)定較早，又未做過改進(jìn)，型號內(nèi)容很不完備。對于材料、極性、主要特性和類型，在型號中不能反映出來。例如，2N開頭的既可能是一般晶體管，也可能是場效應(yīng)管。因此，仍有一些廠家按自己規(guī)定的型號命名法命名。①組成型號的第一部分是前綴，第五部分是后綴，中間的三部分為型號的基本部分。②除去前綴以外，凡型號以1N、2N或3NLL開頭的晶體管分立器件，大都是美國制造的，或按美國專利在其他國家制造的產(chǎn)品。

三、相關(guān)知識PowerMOSFET02PowerMOSFET型號及命名③第四部分?jǐn)?shù)字只表示登記序號，而不含其他意義。因此，序號相鄰的兩器件可能特性相差很大。例如，2N3464為硅NPN，高頻大功率管，而2N3465為N溝道場效應(yīng)管。④不同廠家生產(chǎn)的性能基本一致的器件，都使用同一個登記號。同一型號中某些參數(shù)的差異常用后綴字母表示。因此，型號相同的器件可以通用。⑤登記序號數(shù)大的通常是近期產(chǎn)品。

三、相關(guān)知識IGBT03IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理絕緣門極晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）也稱絕緣柵極雙極型晶體管，是一種新發(fā)展起來的復(fù)合型電力電子器件。由于它結(jié)合了MOSFET和GTR的特點，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點，又具有輸入通態(tài)電壓低，耐壓高和承受電流大的優(yōu)點，非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)，如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。

三、相關(guān)知識IGBT03IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理（1）結(jié)構(gòu)。功率場效應(yīng)晶體管是壓控型器件，其門極控制信號是電壓。它的3個極分別是：柵極（G）、源極（S）、漏極（D）。功率場效應(yīng)晶體管有N溝道和P溝道兩種。N溝道中載流子是電子，P溝道中載流子是空穴，都是多數(shù)載流子。其中每一類又可分為增強型和耗盡型兩種。耗盡型就是當(dāng)柵源兩極間電壓UGS=0時存在導(dǎo)電溝道，漏極電流ID≠0；增強型就是當(dāng)UGS=0時沒有導(dǎo)電溝道，ID=0，只有當(dāng)UGS＞0（N溝道）或UGS＜0（P溝道）時才開始有ID。功率MOSFET絕大多數(shù)是N溝道增強型，這是因為電子作用比空穴大得多。N溝道和P溝道MOSFET的電氣圖形符號如下圖所示。

三、相關(guān)知識IGBT03IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

三、相關(guān)知識IGBT03IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理IGBT外形如圖所示。對于TO封裝的IGBT管的引腳排列是將引腳朝下，標(biāo)有型號面朝自己，從左到右數(shù)，1腳為柵極或稱門極G，2腳為集電極C，3腳為發(fā)射極E，如圖（a）所示。對于IGBT模塊，器件上一般標(biāo)有引腳，如圖（b）所示。

三、相關(guān)知識IGBT03IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理（2）工作原理。IGBT的驅(qū)動原理與功率MOSFET基本相同，它是一種壓控型器件。其導(dǎo)通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的，當(dāng)UGE為正且大于開啟電壓UGE（th）時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流使其導(dǎo)通。當(dāng)柵極與發(fā)射極之間加反向電壓或不加電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管無基極電流，IGBT關(guān)斷。上面介紹的PNP晶體管與N溝道MOSFET組合而成的IGBT稱為N溝道IGBT，記為N-IGBT。對應(yīng)的還有P溝道IGBT，記為P-IGBT。N-IGBT和P-IGBT統(tǒng)稱為IGBT。由于實際應(yīng)用中以N溝道IGBT為多，因此下面仍以N溝道IGBT為例進(jìn)行介紹。

三、相關(guān)知識IGBT03IGBT的特征與主要參數(shù)（1）IGBT的基本特性。①靜態(tài)特性。與功率MOSFET相似，IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性分別描述器件的控制能力和工作狀態(tài)。下圖（a）所示為IGBT的轉(zhuǎn)移特性，它描述的是集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系，與功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相似。開啟電壓UGE（th）是IGBT能實現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓。UGE（th）隨溫度升高而略有下降，溫度升高1℃，其值下降5mV左右。在+25℃時，UGE（th）的值一般為2～6V。

三、相關(guān)知識IGBT03IGBT的特征與主要參數(shù)

三、相關(guān)知識IGBT03IGBT的特征與主要參數(shù)圖（b）所示為IGBT的輸出特性，也稱伏安特性，它描述的是以柵射電壓為參考變量時，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。此特性與GTR的輸出特性相似，不同的是參考變量，IGBT為柵射電壓UGE，GTR為基極電流IB。IGBT的輸出特性也分為3個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。這分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應(yīng)。此外，當(dāng)uCE<0，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。在電力電子電路中，IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。

三、相關(guān)知識IGBT03IGBT的特征與主要參數(shù)②動態(tài)特性。下圖所示為IGBT開關(guān)過程的波形圖。IGBT的開通過程與功率MOSFET的開通過程很相似，這是因為IGBT在開通過程中大部分時間是作為MOSFET來運行的。從驅(qū)動電壓uGE的前沿上升至其幅度的10%的時刻起，到集電極電流IC上升至其幅度的10%的時刻止，這段時間開通延遲時間td(ON)。而IC從10%ICM上升至90%ICM所需要的時間為電流上升時間tR。同樣，開通時間tON為開通延遲時間td(ON)與上升時間tr之和。開通時，集射電壓uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。前者為IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程，后者為MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。由于uCE下降時IGBT中MOSFET的柵漏電容增加，而且IGBT中的PNP晶體管由放大狀態(tài)轉(zhuǎn)入飽和狀態(tài)也需要一個過程，因此tfv2段電壓下降過程變緩。只有在tfv2段結(jié)束時，IGBT才完全進(jìn)入飽和狀態(tài)。

三、相關(guān)知識IGBT03IGBT的特征與主要參數(shù)

三、相關(guān)知識IGBT03IGBT的特征與主要參數(shù)IGBT關(guān)斷時，從驅(qū)動電壓uGE的脈沖后沿下降到其幅值的90%的時刻起，到集電極電流下降至90%ICM止，這段時間稱為關(guān)斷延遲時間td(OFF)。集電極電流從90%ICM下降至10%ICM的這段時間為電流下降時間。二者之和為關(guān)斷時間tOFF。電流下降時間可分為tfi1和tfi2兩段。其中tfi1對應(yīng)IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，這段時間集電極電流IC下降較快；tfi2對應(yīng)IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，這段時間內(nèi)MOSFET已經(jīng)關(guān)斷，IGBT又無反向電壓，所以N基區(qū)內(nèi)的少子復(fù)合緩慢，造成IC下降較慢。由于此時集射電壓已經(jīng)建立，因此較長的電流下降時間會產(chǎn)生較大的關(guān)斷損耗。為解決這一問題，可以與GTR一樣通過減輕飽和程度來縮短電流下降時間。

三、相關(guān)知識IGBT03IGBT的特征與主要參數(shù)（2）主要參數(shù)。①集電極—發(fā)射極額定電壓UCES。這個電壓值是廠家根據(jù)器件的雪崩擊穿電壓而規(guī)定的，是柵極-發(fā)射極短路時IGBT能承受的耐壓值，即UCES值小于等于雪崩擊穿電壓。②柵極—發(fā)射極額定電壓UGES。IGBT是電壓控制器件，通過加到柵極的電壓信號控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，而UGES就是柵極控制信號的電壓額定值。目前，IGBT的UGES值大部分為+20V，使用中不能超過該值。③額定集電極電流IC。該參數(shù)給出了IGBT在導(dǎo)通時能流過管子的持續(xù)最大電流。

三、相關(guān)知識IGBT03IGBT的型號及命名IGBT管各國廠家的型號命名不盡相同，但大致有以下規(guī)律。（1）管子型號前半部分?jǐn)?shù)字表示該管的最大工作電流值，如G40××××、20N××××就分別表示其最大工作電流為40A、20A。（2）管子型號后半部分?jǐn)?shù)字則表示該管的最高耐壓值，如G×××150××、××N120x××就分別表示最高耐壓值為1.5kV、1.2kV。（3）管子型號后綴字母含“D”則表示該管內(nèi)含阻尼二極管。但未標(biāo)“D”并不一定是無阻尼二極管，因此在檢修時一定要用萬用表檢測驗證，避免出現(xiàn)不應(yīng)有的損失。

三、相關(guān)知識GTO04GTO的結(jié)構(gòu)及工作原理可關(guān)斷晶閘管(GateTurn-OffThyristor，GTO)也稱門極可關(guān)斷晶閘管，是一種具有自關(guān)斷能力的晶閘管。它的主要特點是，既可用門極正向觸發(fā)信號使其觸發(fā)導(dǎo)通，又可向門極加負(fù)向觸發(fā)電壓使其關(guān)斷。由于不需用外部電路強迫陽極電流為0而使之關(guān)斷，僅由門極觸發(fā)信號去關(guān)斷，這就簡化了電力變換主電路，提高了工作的可靠性，減少了關(guān)斷損耗，與普通晶閘管相比還可以提高電力電子變換的最高工作頻率。因此，GTO是一種比較理想的大功率開關(guān)器件。

三、相關(guān)知識GTO04GTO的結(jié)構(gòu)及工作原理（1）結(jié)構(gòu)。GTO的基本結(jié)構(gòu)與普通晶閘管相同，也是屬于PNPN4層3端器件，其3個電極分別為陽極（A）、陰極（K）、門極（控制極，G），下圖所示為可關(guān)斷晶閘管（GTO）的外形和圖形符號。GTO是多元的功率集成器件，它內(nèi)部包含了數(shù)十個甚至是數(shù)百個共陽極的GTO元，這些小的GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起，且每個GTO元陰極和門極距離很短，有效地減小了橫向電阻，因此可以從門極抽出電流而