1.4 典型全控型器件

饱和区
Ic
放大区 ib3 ib2 ib1 ib1<ib2<ib3 Uce 图1-16
截止区 O
图 1-16 (2)(2) 动态特性
共 发 射 极 接 法 时 GTR 的 输 出 特 性
ib 90%Ib1 10%Ib1 0
Ib1
t Ib2 ton toff Ics ts tf
ic 90%Ics 10%Ics 0

有较多的应用 1 . G TO 的 结 构 和 工 作 原 理

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 、 阴 极 和 门 极 和 普 通 晶 闸 管 的 不 同 ： GTO 是 一 种 多 元 的 功 率 集 成 器 件 ， 内 部 包 含 数 十 个 甚 至 数 百 个

多 元 集 成 结 构 还 使 G TO 比 普 通 晶 闸 管 开 通 过 程 快 ， 承 受 d i / d t 能 力 强
2 . G TO 的 动 态 特 性

开 通 过 程 ： 与 普 通 晶 闸 管 类 似 ， 需 经 过 延 迟 时 间 td 和 上 升 时 间 tr 关断过程：与普通晶闸管有所不同 抽 取 饱 和 导 通 时 储 存 的 大 量 载 流 子 — — 储 存 时 间 ts， 使 等 效 晶 体 管 退 出 饱 和 等 效 晶 体 管 从 饱 和 区 退 至 放 大 区 ， 阳 极 电 流 逐 渐 减 小 — — 下 降 时 间 tf 残 存 载 流 子 复 合 — — 尾 部 时 间 tt
最 大 可 关 断 阳 极 电 流 与 门 极 负 脉 冲 电 流 最 大 值 IGM 之 比 称 为 电 流
off
I ATO I GM
（ 1-8）
o f f 一 般 很 小 ，只 有 5 左 右 ，这 是 G TO 的 一 个 主 要 缺 点 。 10 0 0A 的 G TO 关 断 时 门 极 负 脉 冲 电 流

典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管
1 .4 .1

门极可关断晶闸管
门 极 可 关 断 晶 闸 管 （ Ga t e - Tu r n - Off Th yr i s t o r — — G TO ） 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
基极b 发射极c 基极b c P+ N+ P基区 N漂移区 N+衬底 Eb 集电极c P+ b e ib 电 子 流 ie=(1+ib b) c) Ec 空穴流 ic=ib
a)
图 1-15
图1-15 GTR 的 结 构 、 电 气 图 形符号和内部载流子的流动
a) 内 部 结 构 断 面 示 意 图
b) 并 联 单 元 结 构 断 面 示 意 图
c) 电 气 图 形 符 号


工作原理：
与 普 通 晶 闸 管 一 样 ， 可 以 用 图 1-7 所 示 的 双 晶 体 管 模 型 来 分 析
1+2=1 是 器 件 临 界 导 通 的 条 件 。 当 1+2>1 时 ， 两 个 等 效 晶 体 管 过 饱 和 而 使 器 件 导 通 ； 当 1+2<1 时 ， 不 能 维 持 饱 和 导 通 而 关 断

应用
2 0 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 I GB T 和 电 力 M O S F ET 取代 1. GTR 的 结 构 和 工 作 原 理
与普通的双极结型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

通 常 tf 比 ts 小 得 多 ， 而 tt 比 ts 要 长 门 极 负 脉 冲 电 流 幅 值 越 大 ， 前 沿 越 陡 ， 抽 走 储 存 载 流 子 的 速 度 越 快 ， ts 越 短
门 极 负 脉 冲 的 后 沿 缓 慢 衰 减 ， 在 tt 阶 段 仍 保 持 适 当 负 电 压 ， 则 可 缩 短 尾 部 时 间

G TO 能 够 通 过 门 极 关 断 的 原 因 是 其 与 普 通 晶 闸 管 有 如 下 区 别 ： （ 1） （ 2） 设 计 2 较 大 ， 使 晶 体 管 V 2 控 制 灵 敏 ， 易 于 G TO 关 断 导 通 时 1 + 2 更 接 近 1 （ 1 .0 5 ， 普 通 晶 闸 管 1 + 2 1 .1 5 ）
（ 1） （ 2）
导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大 （ 3） （ 3） 多 元 集 成 结 构 使 G TO 元 阴 极 面 积 很 小 ， 门 、 阴 极 间 距 大 为 缩 短 ， 使 得 P 2
基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流

导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅

G T R 的 开 关 时 间 在 几 微 秒 以 内 ， 比 晶 闸 管 和 G TO 都 短 很 多
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 Iceo、 集 射 极 间 饱 和 压 降 Uces、
b) 电 气 图 形 符 号
c) 内 部 载 流 子 的 流 动
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
（ 1-9）
— — 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
随 阳 极 电 流 的 增 大 而 增 大 ， 下 降 时 间 一 般 小 于 2s 不 少 GTO 都 制 造 成 逆 导 型 ， 类 似 于 逆 导 晶 闸 管 ， 需 承 受 反 压 时 ， 应 和 电 力 二 极 管 串 联
1 .4 .2

电力晶体管
术语用法：
电 力 晶 体 管 （ Gi a n t Tr a n s i s t o r — — G T R ， 直 译 为 巨 型 晶 体 管 ） 耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ B i p o l a r J u n c t i o n Tr a n s i s t o r — — B J T ） ，英文有时候也 称 为 Pow e r B J T 在 电 力 电 子 技 术 的 范 围 内 ， GTR 与 BJT 这 两 个 名 称 等 效
1 .4

典型全控型器件 门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现 20 世 纪 80 年 代 以 来 ， 信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合——高频
化 、全 控 型 、采 用 集 成 电 路 制 造 工 艺 的 电 力 电 子 器 件 ，从 而 将 电 力 电 子 技 术 又 带 入 了 一 个 崭 新时代
td tr
t0 t1
t2
t3
t4
t5
t
图 1-17
图1-17 GTR 的 开 通 和关断过程电流波形


开通过程
延 迟 时 间 td 和 上 升 时 间 tr， 二 者 之 和 为 开 通 时 间 ton 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 缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程
峰 值 要 200A 3) 3) 开 通 时 间 ton 延 迟 时 间 与 上 升 时 间 之 和 。 延 迟 时 间 一 般 约 1~2 s ， 上 升 时 间 则 随 通 态
阳极电流值的增大而增大 4) 4) 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 。 GTO 的 储 存 时 间

共 阳 极 的 小 GTO 元 ， 这 些 G TO 元 的 阴 极 和 门 极 则 在 器 件 内 部 并 联 在 一 起
G
K
G
K
G
A
N2
P2 N1 P1 A
N2 G K
a)
b)
c)
图 1-13
G TO 的 内 部 结 图1-13 构和电气图形符号
a) 各 单 元 的 阴 极 、 门 极 间 隔 排 列 的 图 形

关断过程
储 存 时 间 ts 和 下 降 时 间 tf， 二 者 之 和 为 关 断 时 间 toff 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 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 负 面 作 用 是 会 使 集 电 极 和 发 射 极 间 的 饱 和 导 通 压 降 Uces 增 加 ， 从 而 增 大 通 态 损 耗


关 断 过 程 ： 强 烈 正 反 馈 — — 门 极 加 负 脉 冲 即 从 门 极 抽 出 电 流 ， 则 Ib2 减 小 ， 使 IK 和 Ic2 减
小 ， Ic2 的 减 小 又 使 IA 和 Ic1 减 小 ， 又 进 一 步 减 小 V2 的 基 极 电 流 当 IA 和 IK 的 减 小 使 1+2<1 时 ， 器 件 退 出 饱 和 而 关 断
当 考 虑 到 集 电 极 和 发 射 极 间 的 漏 电 流 Iceo 时 ， ic 和 ib 的 关 系 为 ic= ib +Iceo （ 1-10）
产 品 说 明 书 中 通 常 给 直 流 电 流 增 益 hFE— — 在 直 流 工 作 情 况 下 集 电 极 电 流 与 基 极 电 流 之 比 。 一 般 可 认 为 hFE 单 管 GT R 的 值 比 小 功 率 的 晶 体 管 小 得 多 ，通 常 为 1 0 左 右 ，采 用 达 林 顿 接 法 可 有 效 增 大 电 流增益 2. GTR 的 基 本 特 性 (1)(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 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
开 通 时 间 ton 和 关 断 时 间 toff 此外还有： 1) 1) 最 高 工 作 电 压 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 B U c b o > B U c e x > BU c e s > B U c e r > B U c e o 实 际 使 用 时 ， 为 确 保 安 全 ， 最 高 工 作 电 压 要 比 BU c e o 低 得 多 2) 2) 集 电 极 最 大 允 许 电 流 IcM 通 常 规 定 为 h F E 下 降 到 规 定 值 的 1 / 2 ~1 / 3 时 所 对 应 的 I c 实 际 使 用 时 要 留 有 裕 量 ， 只 能 用 到 IcM 的 一 半 或 稍 多 一 点 3) 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
iG
O
t
iA IA 90%IA 10%IA 0
td
tr
ts
tf
tt
t0
t1
t2 图1-14
t3
t4
t5
t6
t
图 1-14
G TO 的 开 通 和 关 断 过 程 电 流 波ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ形
3 . G TO 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 ) 1 ) 最 大 可 关 断 阳 极 电 流 I AT O 2) 2) 电 流 关 断 增 益 off 关断增益 G TO 额 定 电 流