电力电子技术-第二章电力电子器件2.4讲解x

第 二 章

第 4 节



绪论

典型全控型器件



授课

2 学时

时数

教学目的 目的和要求：

掌握 GTO、GTR、电力 MOSFET 三种全控型器件的工作原理、

与要求

教学难点

与重点

互动内容



基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意问题。

掌握集中典型全控型器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用。

课堂提问和讨论

自学内容 无

（现代化）

授课方法

作业

思考题



讲授 多媒体

教学手段

无

第二章 电力电子器件

前面学习了不可控器件 -电力二极管、半控型器件 -晶闸管

2.4 典型全控型器件

全控型器件的特点：通过门极的控制既可以使其开通，也可以使其关断。

全控型电力电子器件的典型代表：门极可关断、电力晶体管、电力场效应晶体管（就是通常所说的电力

MOSFET/MOS管）、绝缘栅双极晶体管（通常所说的 IGBT）。

全控型器件实际上发展很快，不止这些，简要学习这几种典型全控型器件的基本原理，对以后理解和使用其他全控型器件有帮助。

门极可关断晶闸管——顾名思义，它是晶闸管家族中的一种，它的出现是比较早的。 50 年代后期，出现了

晶闸管，从而诞生了一门崭新的学科—电力电子学， 60 年代初，门极可关断晶闸管出现了，但全控型器件真正

的发展，是到 20 世纪 80 年代以后。

在 20 世纪 50 年代后期到 70 年代，以晶闸管为中心的半控型器件，占据着电力电子学的舞台。正是因为晶闸管的出现，才产生了电力电子学，他得到了迅速发展。

到 80 年代以后，全控型器件逐渐成为主流，某种程度上来说，取代了半控型器件晶闸管的中心位置，当然，半控型器件晶闸管也很重要，但不占据主要位置了。

由于全控型器件的发展，使电力电子装置的性能更完善、控制更方便，对电力电子学的发展起到了很重要的作用。

这门课主要是介绍各种电路，各种电路是以各种电力电子器件为基础的。各种器件里，我们介绍了很多，有

三种器件在本课中占主导地位， 一种是半控型晶闸管， 虽然它在电力电子学中不再占中心位置， 但仍然用处很大，

还是很重要的一种器件，很多电路会使用它。另外两种就是电力 MOSFET，在小功率场合用得最多，再就是 IGBT

（绝缘栅双极晶体管） ，在中大功率场合占主流位置，它也是重点介绍的器件。

从门极可关断晶闸管入手。

1

一般说 GTO，不说门极可关断晶闸管

顾名思义，它是晶闸管的一种派生器件，是晶闸管家族中的一种，但它和晶闸管有很大区别。晶闸管有很多种，主导是普通晶闸管，除此之外，还有快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管，都属于半控型器件，而 GTO虽然是晶闸管的一种，但被划到全控型器件中去了。因为它主要的特点是，通过门极的控制，不但能使其导通，也能使其关断，在门极施加负脉冲就可使其关断。

* 现在基本上是大功率的晶闸管用的比较多，但如果需要全控型，那还是选择 GTO，所以， GTO还是有

很大的市场。

* GTO既然是晶闸管的一种，必然有很多地方和晶闸管一样，在结构上，都是 PNPN四层半导体结构，外部

引出三个端子：阳极、阴极、门极（控制极） 。

G K

G

KG

A

N 2

P2

N2

G

N1

K

P1

A



阴极 K接在 N上

门极

a) b) c)



阳极 A接在 P上

图1-13

3英寸、4

英寸甚至

6 英寸的，

* GTO 与晶闸管的不同点之一：一般的晶闸管就是一个完整的晶闸管，不管是

就是一个晶闸管，而 GTO 是一种多元结构，像图

a 中，画了 4 圈，每圈里都有很多短线，每一条短线实际上就

是一个 GTO 元，所以，它是由很多小

GTO合起来，构成一个大的

GTO，中间是管芯。

书： 1、注意电气图形符号

2、这些 GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起，这是为了便于实现门极控制关断。

2

对 GTO 的分析仍然可以通过双晶体管模型来分析，这个模型在讲晶闸管时已经说过，它是 P1N1P2N2 四

四层结构，把它剖成一个 P1N1P2 构成的 PNP 晶闸管 V1 和一个 N1P2N2 构成的 NPN 晶闸管 V2，特点是

V1 的基极就是 V2 的集电极。构成了一个整体。

对于 GTO来说，从原理上说，如果在 G（门极）加一个负脉冲（ V2 的基极加一个负脉冲） ，则 V2 基极电流↓，则 Ic2↓，则 Ic1↓（对于 V1）， Ic1 ↓，进一步减小 V2 的基极电流， Ic2 又会↓，这是一个正反馈

过程，最终，管子就会关断。但一般的晶闸管，是没法这么说的，这主要是由于 GTO在结构上有很多不

同于普通晶闸管的特点，使它能够通过门极加负电流，使它关断。

正反馈：对反馈的信息进行促进，如，锅炉内某部分温度升高，通过反馈，锅炉内温度越来越高负反馈：对反馈的信息进行抑制，如，锅炉内某部分温度升高，通过反馈，锅炉内温度越来越低

图 b 中，仍有两个晶体管 V1、V2，它们的共基极电流增益仍然是用

1 和

2 来表示，主要来看它和普通

晶闸管哪些地方不一样，使它能够通过门极关断。

首先， 2 比较大， V2 的共基极电流增益比较大，就意味着

V2 比较容易控制。

* 四层结构（ P1N1P2N2）

从 P1 接出一个阳极

A

门极是从 V2 管子的基

I A

PNP

极接出来。所以直接控

V

1

I c2

R

I G

制管子的通断， 所以

2

G

I c1

V 2

比较大， 就意味着 V2 比

S

NPN

EA

I K

较灵敏，不光能通过电

EG

流使它开通，有可能使

K

从 N2 接出一个阴极

它关断。

b)

1 2 更接近 1——书 P21 公式 2-5 ，分母是 1 ( 1 2 ) ， 1 2 更接近 1，而不是大于 1 很多。

3

（ P21 式 2-5 分析： 1

2 趋于 1，分母趋于 0，阳极电流

IA 趋于无穷大，晶闸管导通）

如，普通晶闸管设计的是

1

2 1.15 ，而 GTO设计为 1

2 1.05 ，相比而言，普通晶闸管的分母

1 ( 12 ) 负的多，理解成

IA 大的多，所以普通晶闸管较

GTO比，饱和程度深，而 GTO更接近与临界

饱和（刚刚使分母趋近于

0/

刚刚饱和）。

* 普通晶闸管，导通时，饱和程度深，就好像睡眠睡得比较深，不容易醒来；

GTO，临界饱和，睡眠比较

浅，容易醒来，容易恢复到阻断状态。

多元集成结构，从一个角度来讲，多元结构，则每个门极管的地方就靠的比较近，可控性就比较强，给

关断创造有利条件；从另一个角度来说，多元结构，是

P2 基区的横截电阻比较小，就有可能从门极抽取

比较大的电流，把 V1 的集电极电流

Ic1 从门极抽出，这样容易关断。

总结 ：GTO，在 G（门极）加一个负脉冲（

V2 的基极加一个负脉冲） ，则 V2 基极电流↓，则 Ic2↓，则 Ic1↓

（对于 V1）， Ic1 ↓，进一步减小

V2 的基极电流， Ic2

又会↓，形成强烈的正反馈，当两个晶体管的发射极

电流 IA 和 Ik 减小到使 1

2

1，管子就会退出饱和而关断。

GTO它虽然是晶闸管家族中的一种，但它可以通过门极使其关断。总结以下几方面。

GTO导通时和普通晶闸管一样，只是饱和程度比较浅，容易回到阻断状态。

关断过程中，容易抽取电流，就形成强烈正反馈，退出饱和而关断。

对于普通晶闸管，电流上升率过大，会导致局部过热而损坏。多元结构，一般来说不会局部电流过大，

因为局部本来就比较小，每一个 GTO面积本来就比较小。

（多元结构，承受电流变化的能力更强） （注意：不是电压变化率 du dt ）

4

与 P22 图 2-10 比较

画的是门极电流 I G和阳极电流 I A，没画电压波形。

开通过程：与普通晶闸管差不多。

需要经过：参考 P22

* 延迟时间 td （从门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的 10%）

（此时，阳极电流很小）

上升时间 tr （阳极电流从 10%上升到稳态值的 90%，此时认为管子已经导通）

（此时，阳极电流开始增大）

关断时，门极要有一个很大的负电流，才能使它关断。门极有负电流以后，一般 GTO不能马上响应，它

会有一个退出饱和的过程。

* 储存时间 ts ——抽取饱和导通时储存的载流子，使晶体管退出饱和。

（此时，阳极电流几乎不减小，几乎不变）

* 下降时间 tf ——阳极电流逐渐减小

* 尾部时间 tt ——残存载流子复合时间

* 三者关系： tt>ts>>tf

* 门极负脉冲电流的幅值越大，抽走储存载流子的速度越快， ts 越短。

总体来讲， GTO的关断需要一段时间，但 GTO的关断时间比一般晶闸管要短一些，速度要快一些。

因为 GTO也是晶闸管家族中的一种，所以很多参数必然和普通晶闸管差不多，这里只介绍不一样的参数

开通时间——与普通晶闸管是接近的，只是延迟时间比普通晶闸管要短（ 1-2 s ），开通的比普通晶闸

管要快一些。（上升时间随着通态时阳极电流的增大而增大， 即通态时阳极电流越大， 所需要的上升时间

越长）

关断时间——也是比普通晶闸管明显的短。关断过程分三个阶段：储存时间、下降时间、尾部时间，一

般 GTO的关断时间只包括前两个，不包括尾部时间（下降时间结束时，阳极电流 IA 基本降到 0 了）。（储存时间随阳极电流的增大而增大，即通态时阳极电流越大，所需要的储存时间越长，储存时间：抽

取导通时储存的载流子）

GTO使用时通常反并联一个二极管（做成逆导型） ，这样就干脆把二极管做在 GTO里面，这样 GTO就失去承受反向电压的特性（书 P25 逆导型晶体管，不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通，

5

因为二极管的单向导电性） 。有些情况下，需要承受反向电压，就把逆导型 GTO串一个电力二极管。

I ATO是 GTO的标称电流 / 额定电流。

* 如某 GTO是一个 4500A 或 1000A 的 GTO，就是指这个

GTO的最大可关断阳极电流是

4500A/1000A 。

* 和晶闸管的标称电流是不一样的， “晶闸管的标称电流” 是工频正弦半波能够流过最大的平均电流，

是

平均电流的概念，而这个是最大可关断电流。含义是不一样的。

* 在使用不同的电力电子器件时，同样是标称电流这个参数，它所指的意义是不一样的（

GTO的标称电

流指的是最大可关断阳极电流，

晶闸管的标称电流指的是工频正弦半波能流过的最大的平均电流）

，要注

意。

电流关断增益

最大可关断阳极电流（额定电流）

off ——是一个比值

* 一般不大，如

1000A 的 GTO，不算太大，还有 4500A，甚至 6000A 的 GTO，而电流关断增益又不大（假

设为 5），就导致，需要 200A 的门极电流才能关断这个

GTO， 200A 是一个很大的数，就好像不像是弱电

控制强电了（电力电子技术特点）

，这是它的一个很显著的缺点。——使

GTO的应用范围受到很多限制，

GTO到目前，应用不是很广。

电力晶体管在 20 世纪 80、90 年代曾经使用非常广泛， 现在由于 IGBT 的出现， 它比电力晶体管的优点多很多，缺点又比较少，所以它基本取代了电力晶体管，所以电力晶体管现在用的比较少。

为什么要讲电力晶体管？ 1、虽然用的比较少，但有时也会用（依旧还在用） ，并没有被淘汰。

　2、现在使用非常广泛的 IGBT，是由 GTR和电力 MOSFET的复合的器件，了解了一个，对总体的认识就很有帮助。

一般叫 GTR，很少叫电力晶体管。 GTR和 BJT 都是指的电力晶体管。

主要用在中、小功率场合。在全控型器件里面， GTR算出现比较早的，以前也经常使用晶闸管，但晶闸

管要关断比较麻烦，要外加很多电路，用 GTR比较方便，所以在中、小功率范围内，逐渐取代了晶闸管。

而现在， GTR通常是被 IGBT 和 MOSFET取代，在小功率范围内， MOSFET是主流器件。

6

模电里，三极管的一个图

GTR的结构、内部载流子结构图和普通的、小的三极管基本一样，它是一个 NPN结构，实际上就是一个

三极管，所以它的电气图形符号跟普通三极管也一样，只不过用在功率比较大的场合。

基 极 处

加电流

基极的控

制信号 发射极接地



电流流向 (集

电极到发射

极 )，与电子流方向相反

负

载

主

电 电

源 路

给晶体管

加电压



* 与普通双极结型晶体管的结构和基本原理一样； （参照

模电第三章）

主要特性是耐压高、电流大、开关特性好；

晶体管的电流放大倍数， 小的管子一般是几十倍到上百倍，而稍微大一点的管子，放大倍数就不大了，只有几，是一个一位数，不到 10，但是一个管子的放大倍数如果只有个位数，是不大好用的，为了提高放大倍数，通常至少由两个晶体管按达林顿接法组成，达林顿接法：一个管子的发射极是另一个管子的集电极，这样一极一极放大，复合而成的新的三极管的放大倍数是原来二者放

大倍数之积。

　假设一个管子的放大倍数是 8，两个都是 8 ，放大倍数就是 64， 64 用起来就比较方便了。

GTR一般采用共发射极接法，与模电一样，发射极与电源的负端相连，电源的正端通过负载（电阻）和集电

极相连，保证集电结反向偏置（电流从正端出发，流向负端） ，集电极和发射极作为主电路。 Eb 是基极回路

的直流电源，负端接发射极，正端通过基极电阻接基极，保证发射结为正偏，基极加驱动 / 控制信号，一般

是这么来用的。

　（模电 P82） 上海交大

ib

——反映了共发射极接法下， 基极电流对集电极电流的控制能力

ib / 放大。

漏电流一般比较小，通常忽略不计。

画画书 P28

7

上海交大

把输出特性曲线分成三个区域（分别对应了 GTR的三种工作状态：饱和、放大、截止） ，

横轴——集电极和发射极之间的电压，纵轴——集电极电流，一般来说，一个平面，两个坐标，画一些

曲线，表示两个量之间的关系，如果要表示三个变量之间的变化，就把第三个变量（ i b ），画一组曲线，

这样的区域，分成三个区域：

饱和区——管子导通饱和以后，集电极电流主要是由外电路决定，不是由管子决定，基极再加更大电

流，不会再放大了，饱和了。此时不遵循 ic ib （电压变化小，电流变化大）

* 放大区——指的是基极电流对集电极电流的放大，看图：随着 ib 增加， ic 也增加，这是放大。在这个

区域，符合式子 ic ib 。

截止区——管子不通，就意味着没有电流，所以ib 基本没有，电压很高，电流很小。如同工作在断开

状态。（断开时，电流为 0，电压很高，就是两点电压差）

这三个区域，实际上，一般在弱电里的晶体管，有时候会工作在放大区，而在电力电子电路里， GTR 通

常只工作在饱和区和截止区，要么通要么断，工作在开关状态。避免在放大状态，因为在放大状态，管子可能会承受比较大的电流，比较高的电压，这样管子损耗太大，发热严重，对管子有危害。

（ * 电力系统中，通常工作在上千伏的电压下 , 如果再放大，电压电流会更大，产生的热量和管子的损耗

也更大，所以把 GTR看成开关，只工作在截止区和饱和区。 ）

在截止区，管子的电压很高，电流很小，损耗很小；

在饱和区，电流较大，但电压比较小，则管压降损耗也不是很大；

放大区，一般是不用的。

但是，在截止区和饱和区之间过渡时，要越过放大区，要越过的快一些，停留的时间长了，发热比较严重，管子可能烧坏。

8

动态特性——给出的是 GTR开通和关断过程中，基极电流和集电极电流随时间变化的波形， GTR是用基

极电流来控制集电极电流的（在基极给触发 / 控制信号）

① ib 加脉冲，从这个电流上升到

10%时开始计算， 因为开始的电流

很小，几乎不起作用。到电流的10%时，就认为电流开始起作用。



③看关断过程：按道理说，一个晶

体管，加正极电流就通，加负极电

流 / 不加电流，就断。但，通常为了使关断过程快 / 关断可靠，会加一个反向电流 / 负的电流。就能快速关断

④但并不是说， 加一个反向电流，

ic 就马上反应，还要延迟。

储存时间 ts+ 下降时间 tf= 关断时间。（ ts ：除去饱和导通时储存的载流子，关断的主要部分）

我们总是希望关断时间快一点，方法 : 书 P29①②

②但 ic 并不是马上就响应

ib ，它

电流开始明显上

有个延迟，它也要到它的

10%才算

升——上升时间

它启动了。这个时间（

ib 的 10%

到 i c 的 10%）叫延迟时间 td

*二者之和，为开通时间。

*如果嫌开通时间比较长（开通速度太慢） ，

有一些加快开通过程的办法。如增大基极驱动电流，或接一个加速电容，都可以加快开通过程。



GTR的开关时间比 GTO短很多，比晶体管的开关时间短更多。所以，电

力晶体管， 开关速度比起晶闸管、 GTO

来说，还是比较快的，工作频率能达到几 KHZ，而晶闸管通常工作在工频

50HZ， GTO 工作在几百 HZ，到 1KHZ 就很难了， 而 GTR工作在几 KHZ的工作频率，甚至到 10、 20KHZ，有些管子也是可以的。

9

（ 1）最高工作电压

* 就是一个 GTR（电力晶体管）的标称参数，如果比这个数高，管子会被击穿，管子就坏了。

　（使用管子前，先看好各个工作参数） 。

击穿电压与、 、、、、相关（ PPT），外部电路怎么设计，怎么和器件匹配，也是要注意的地方。

* 这里给了一系列击穿电压，最低的是 Uceo（基极开路时，集电极和发射极间的击穿电压） ，就是最高工作电压，

实际用的时候，比这个数值还要低，留有裕量，确保安全。

（ 2）集电极最大允许电流

* 直流电流放大系数 hFE（在直流工作情况下，集电极电流和基极电流之比，一般认为 hFE ， 共发射极时的

电流放大系数。

　）

如果管子放大倍数一下降，管子的控制就不行了，规定这个电流为集电极最大允许电流，不是直接规定电流某数值，发热就损坏了。

我们讲过三种管子：晶闸管、 GTO、 GTR，它们的阳极标称电流都不一样。

实际用的时候，要留有裕量。

如一个器件的手册上写 I cM，是 100A，则实际用的时候，电流不能超过 50/60 ，超过就很危险。

（类似于晶闸管定额： 1000V 的管子只能当 300V/500V 来用，保证安全性）

（ 3）集电极最大耗散功率

集电极耗散功率实际是指发热，所以、 、、PPT

表示温度不能超过这个温度，超过这个温度的话，管子要间隔使用了。

10

二次击穿是晶体管的特殊现象，比较重要。

一次击穿——集电极电压升高，电压过高，管子会击穿。可以理解。管子击穿后，电流迅速增大。

其实，只要把 Ic 限制住，不要超过一定的值，不会坏，特性不会发生变化，集电极电压降下来还可以用。

（给集电极加电压，对应的电流升高，及时达到击穿电压，但给的电压降低，电流也会降低，所以管子还能用。

　）

二次击穿——二次不一样，一次击穿已经发生后，电流迅速上升，这时，如果电压突然下降，就说明管子已经坏了，这就是二次击穿，二次击穿常常导致管子永久损坏，没法恢复，特性也没法恢复。

安全工作区

I c

I c PS

SO Pc

O

U c

U ce

电流不能超过最大值，电压不能超过最大值，要分两段来看，上半部分取的是功率损耗的线，下半部分取得是二次击穿的线。不超过这个范围，是安全工作区。

如果取值到这了，不会二次击穿，但最大功率损耗超过了，也不行。



如果取值到这了，二次击穿就出问题了。

11

电力场效应管就是 MOSFET。

电力电子器件有三种器件是最重要的器件：晶闸管、电力场效应晶体管（ MOSFET）和绝缘栅双极晶体管

(IGBT) 。

场效应晶体管（模电） （ FET），是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，又叫

单极型晶体管。分结型和绝缘栅型（ MOSFET）。

* 结型：

d

d

g

g——栅极

g

d——漏极

s

s——源极

s

N 沟道

P 沟道

绝缘栅型：栅极、源极和漏极间采用SiO2 绝缘层隔离，所以叫绝缘栅型。又因栅极为金属铝，故又叫

MOS管（ Metal-Oxide-Semiconductor ）。分 N沟道和 P 沟道。

模电里有电力场效应晶体管，分两类，结型和绝缘栅型，绝缘栅型的代表是 MOSFET。所以说， MOSFET

不能说和电力场效应晶体管划等号，电力场效应管分结型和绝缘栅型，而绝缘栅型主要是 MOSFET。

主要讲的是绝缘栅型里的 MOS型的，这是电力场效应管的代表， 一说电力场效应管， 经常就说电力 MOSFET/ 甚至直接说 MOSFET。说 MOSFET，如果在模电里，就是指小功率的、处理信息的电力场效应晶体管，如果

在电力电子学中，就是指电力场效应晶体管。

结型电力场效应晶体管。 。。。。

　PPT

电力场效应晶体管的特点——栅极电压控制漏极电流。它有三个电极：栅极、漏极、源极。栅极 g 相当

于晶闸管的门极，既然用电压来控制，理论上讲，不需要驱动功率就可以控制，这是它的最大特点。实

际上，还是需要很小的一点驱动功率。——驱动电路简单。 。。。。

　PPT

* 以至于在所有的电力电子器件中， MOSFET是开关速度最快，工作频率最高的器件，这是它从工程应用

来讲，一个非常显著特点。 （工作频率高，适合于经常开关的场合）

* 热稳定性也不错，优于。 。。

　PPT

* 当然，也有缺点，电流容量一般比较小，耐压比较低，所以在小功率情况下使用，应该说，在 1 千瓦以

下，完全是 MOSFET的天下， 而在几个千瓦的情况下， MOSFET用的也比较多， 所以适用于功率不超过 10KW 的装置（ PPT）。实际上， 1KW以下， MOSFET是主流，几个 KW时，各种器件都可以选择了。如果让它工作

在 10KW以上，就有点勉为其难了，不是它的应用范围了。

（开关频率高，不能用于大功率场合，要知道使用特点。）

12

有时候为了说起来方便，直接说 MOSFET。

任何一种器件，都有不同的分类方法，从不同的角度，可以不同的分类。对 MOSFET，可从导电沟道分

类。导电沟道如果是 P 型，就叫 P 沟道，如果是 N 型，叫 N 沟道。

* 还可以按导电沟通产生的过程分，耗尽型——沟道本来就存在的，如果栅极 g 加电压，如负电压，沟道

就慢慢减小了，最后，沟道耗尽了；增强型——正好相反，沟道本来不存在，栅极加一定电压后，沟道开始建立，加的电压越高，沟道越强。

按照 P 沟道、 N 沟道、增强型、耗尽型组合，一共有四种组合，实际用的，是 N 沟道增强型的用的最多，

重点介绍 N 沟道增强型的 MOSFET。就像，电力场效应管有结型和绝缘栅型，我们实际上用的是绝缘栅

型里的 MOSFET，所以一说电力场效应晶体管，几乎就等于 MOSFET（按道理讲，不完全等于） ，现在讲

MOSFET，主要学习 N 沟道增强型。

13

从结构图上看，电力 MOSFET和一般的小的 MOSFET没什么太大区别。电气图形符号画了 N 沟道、 P 沟

道，实际 N 沟道用的比较多，所以在各种电力电子电路图上，常见到的是 N 沟道的电气图形符号。

有三个电极： d 漏极， s 源极， g 栅极（就是门极、控制极）从这看，是一个 NPN 型半导

S

G

N +

P N +

N +

P N +

沟道

N-

+

N

D

a)



栅极加在这，它实际

上和底下的半导体是

绝缘的。

我们知道，电流量的导电有多数载流子导电、少数载流子导电，有多子导电和少子导电。像 GTR（电力

晶体管）和晶闸管，都是两种载流子同时参与导电，所以是双极型的，而 MOSFET，一种载流子参与导

电，所以是单极型的晶体管。

它的导电机理和一般小功率的 MOSFET基本是一样的，但是结构上，它是由很多很多小的 MOSFET组成

一个大的 MOSFET。

作为集成电路，有很多小的 MOSFET，不同的厂家，设计的是不一样的，名称也不一样，有的做成六边

形的结构、有的正方形，等。

图 a 是一种剖面图，正常情况下，如果栅极不加信号， s 和 d 不管哪个加正，哪个加负，都是不通的。

N 到 P 是不导通的，是 PN 结的反向截止特性 / 二极管的截止特性）如果栅极加电压后，在这里会形成导电沟道。就是说，在栅极加正电压后，在这形成反型层，

S

会把 P 里的电子吸引过去 （栅极下面的 P 区表面），

G

局部电子浓度增加，加到一定值时，局部变成

N

N +

N +

N +

N +

这是 P

型的，到一定程度，这个

N 就通了，此时，管子

P

P

就通了。

沟道

N

-

——大体上，管子的导通机理。

N +

这是 N

* 所以它是增强型的， 加的电压越高， 反型层越宽，

D

导电越通畅。

a)

14

小功率 MOSFET是横向导电器件。横向——导电是电流从漏极（相当于阳极）→源极（相当于阴极）流。

如果一个硅片，在同一个平面上，就是横向导电。小功率 MOSFET一般速度比较快，都是横向导电。实

际上，主要的两个电极，漏极和源极，在同一个面上，电流横着流，是横向导电的器件。可以想象，一

个硅片，电流只能横着流，只是在一个表面流，另一个表面不流，就很难流过很大电流，而电力电子器

件，我们希望它流过比较大的电流， 有比较大的容量， 这样就是垂直导电器件， 所以，大部分电力 MOSFET，

都采用垂直导电结构，叫 VMOSFET。

电流垂直穿过管子的平面，这样能流过比较大的电流。

按垂直导电结构的差异，分 VVMOSFET和 VDMOSFET（ PPT）， VDMOSFET经常用， VDMOS 是所有 MOS

器件用的最多的， 可以说，在电力场效应晶体管， 主要用的是绝缘栅型， 绝缘栅型里面主要代表是 MOSFET，MOSFET里， N 沟道增强型里用的基本都是 VDMOSFET，所以 VDMOSFET也是 N 沟道增强型的。主要是以 VDMOSFET为例子讨论

一个管子必然有两种状态：截止 & 导电，

相当于一个一般的管子的阳极

② 输 入 ②输出在这

在这

门极

相当于一个一般的管子的阴极

②一般接控制端



加控制是加在 GS两端，实际上是②

所以如果漏源极间加正电源， 栅源极间电压为 0，就截止（ PPT）

即 D 和 S，上正下负。如果上负下

负，肯定不通。如果 GS间电压为 0（控制级），管子截止，不通。

如果栅源极间加正电压， 在沟道这形成反型层， 电流从 D 通过沟道流向 S，（流向见书 P31）

总结：工作原理， （书）

①截止：漏极源极 DS间加正电压（漏极接电源正端、源极接电源负端） ，栅极源极 GS间电压为 0。

②导通：在栅极源极 GS间加正电压。

15

输入特性（左）——横坐标是电压（栅极和源极间电压 UGS），纵坐标是电流（阳极电流 / 漏极电流）（对

照上页 PPT的下图）。从曲线看，和一个二极管的正向特性差不多，但这个不叫输入特性，因为它的横轴是栅极和源极的电压，电流是漏极电流，所以叫转移特性，就是加的是电压，产生的是电流，二者之比，是一个转移特性曲线。

曲线的斜率是电流÷电压（ =导纳），但这个导纳不是某一个电阻的导纳，这里把它叫做跨导 Gfs，实际上就是输入特性。

输出特性——曲线图和电力晶体管的输出特性 / 伏安特性曲线的样子、 形状非常接近， 但这个是叫漏极伏

安特性曲线，实际上是漏极和源极间的伏安特性，纵轴是 ID，横轴是漏极源极间电压 UDS。

底下：是截止区，和电力晶体管一样

电力晶体管的放大区，现在是饱和区，电力晶体管的饱和区变成非饱和区。

解释：

一个平面上， 画一条曲线， 表示两个量 （横、 纵轴）之间的关系， 如图 a，横轴是栅源极电压， 纵轴是漏极电流。

若想在一个平面上表示三个量之间的关系，

就要用一组曲线， 其中横纵轴， 一个是自变量， 一个是因变量。

　那么，

一组曲线，必然有一个参变量，参变量就标在这一组曲线的某条曲线上，比如这里，把

UGS这个参变量标在曲线

上。

* 所以，饱和与否，是看什么对什么饱和，看图

b 的饱和区的曲线，横轴的电压增加，电流不增加，这是饱和。

而电力晶体管的放大是指发射极电流对基极电流的放大。

（随着 i b 增加， ic 也增加，这是放大。在这个区域，符

合式子 i c

ib ）

原来的饱和区，现在的非饱和区，也是含义不一样。这里的饱和与非饱和，都是指漏极电压和漏极电流之间的关系。这里的非饱和区，加电压，电流还能上升，叫非饱和。到饱和区，电压增加，电流也上不去，叫饱和区。

在电力晶体管中的饱和区，是指基极电流再增加，发射极电流不再增加。 （管子导通饱和以后，集电极电流主要

是由外电路决定，不是由管子决定，基极再加更大电流，不会再放大了，饱和了。此时不遵循 ic ib ）

所以，对不同器件的不同的曲线，名称会有差别。说饱和，要注意是指谁与谁之间的饱和，说非饱和，是谁和谁之间不饱和。

所有的电力电子器件，几乎都工作在开关状态，因为如果在放大状态，这里就是工作在饱和区（对电力晶体管，是放大区） ，工作在这，管子承受的电压也挺高的，电流也挺大的，乘积必然也很大（找任意一点举例，在

某 UGS线上）。而工作在非饱和区，电流虽然很大，电压很低，而在截止区，电流很小，电压较高，乘积都不是

很大。所以一般电力 MOSFET是工作在截止区和非饱和区来回转换，工作在开关状态。

要注意， 漏极和源极之间有寄生二极管， 与 MOSFET反并联， 所以在漏源极之间加反向电压时， 管子是通的，相当于一个逆导的管子， 现在用的管子大部分都需要反并联一个二极管， 这个里面就直接寄生了一个反并联的二

极管，在晶闸管里，相当于逆导，反方向加电压是导电的。实际使用时，绝大部分不需要加反向电压，反方向还是让管子是通的（书 P25）

MOSFET通的时候，有一个导电沟道，沟道里有导电电阻，这个导电电阻（通态电阻）具有正温度系数。

　16

正温度系数——温度越高，电阻越大；负温度系数——温度越高，电阻越小。

两个管子如果并联，正温度系数比较有利。如其中某个管子电流过大，电流大的管子必然发热比较严重，

发热严重， 电阻增加， 有利于电流减小， 所以正温度系数， 会使电流自动去平衡。

　如果是负温度系数， 就麻烦了，电流大的管子，电流越大，电阻越小，电阻越小，电流越大，结果最后，电流都集中到一个管子上了，显然对并

联不太有利。

也是两个过程：开通、关断。图 1-21，左图：测试电路图，右图：实际波形开通时间：

* 开通延迟时间 td（ on）——栅极信号已经加上了，但漏极电流

i D 迟迟不响应，响应需要一个时间。关

断也有延迟时间

* 上升时间 tri ——漏极电流从

0 上升到稳态值的时间。

（什么时候开始出现漏极电流

i D？栅极给脉冲信号后，当

UGS上升到开启电压 UT 时，开始出现

i D）

* 开通时间 =开通延迟时间 +上升时间（书上考虑了漏极电压

UDS，这里不考虑）

关断时间：

* 关断延迟时间 td（ off ）——栅极脉冲电压 up 下降到 0

时，栅极电压 uGS下降到 UGSP的时间。（密勒平台

了解即可）

* 下降时间 tf ——既然是关断，电流就要下降，所以有下降时间。当

uGS<UT 是，导电沟道消失，

iD 下降

到 0。

关断时间 =关断延迟时间 +下降时间

电力 MOSFET的开通过程和关断过程基本上是顺序相反的。

17

电力 MOSFET的开关速度是比较快的，但也不是无限快的，它的开关速度和电容有关。

*MOSFET 是由电压驱动的，理论上，电压驱动的，不需要电流，不需要驱动功率（因为是加电压，如果没有电

流，功率是电压和电流的乘积，而电流是 0，乘积 / 功率是 0，那就是不需要驱动功率） 。

* 但实际上，总是要有驱动功率，因为 MOSFET有一个结，也是 PN 结， PN 结都有结电容，虽然它的结电容不

是很大，但也有结电容，有结电容，要建立电压，就必须要给它充电，充电就要有电流，所以它还是有一定电流的。

所以，如果电容比较小，开关速度比较快；电容比较大，开关速度比较慢。（但使用者无法降低结电容，所以可以。

　。。通过其他办法）

时间常数是 RC，所以可以通过减小电路内阻 Rs，是可以加快开关速度的，但总是会有内阻的，只能适当减小，不可能减小到 0。

关断过程中，对于双极型器件，一般来说，前面都有一个储存时间，要把半导体导通时的载流子消失掉

P29P27GTO门极可关断晶闸管和 GTR 电力晶体管，关断过程都有储存时间） 。而 MOSFET是一个单极型器件，不存在少子储存效应，所以关断过程比较快。

开关时间在 10~100ns（纳秒）之间，前面讲的时间都是 s （微秒）为单位，所以说它的速度还是比较快，

所以它的工作频率可达 100KHZ 以上，甚至可以工作到几兆。所以，它在各种电力电子器件中，工作频率最高的，开关速度最快的，这是 MOSFET的一个显著特点。

它属于场控器件，是靠电场控制的器件，所以静态时几乎不需要输入电流。而在开关过程中，还是需要对输入电容（ PN 结的结电容）充放电，所以还是需要一定的驱动功率。说完全不需要驱动功率，是不符合实际的。

开关频率越高，时间比较短，充电电流也就比较大，结电容的电压还没有建立，所以需要的驱动功率相应的就会大些。

开启电压——开始加一段电压的时候，没有电流，当所加的电压

UGS>UT 时，才开始有漏极电流

漏极电压 UDS——就是漏极和源极之间所能加的最大电压，它是电力

MOSFET的电压定额

漏极直流电流

ID 和漏极脉冲电流的幅值——电流的定额

总结：额定电压—

UDS，额定电流— ID

栅源极间的电压，就是门极 / 控制极所加电压，一般不能太高，太高的话，它是绝缘栅，就有绝缘层，电压太高，容易击穿。

电力 MOSFET有三个电极：漏极、栅极、源极，两两之间都有电容，之间的关系了解即可。

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另外一种非常重要的电力电子器件，绝缘栅双极型晶体管， IGBT，是现在应用非常多，非常火的一种电力电

子器件。

* 前面讲的电力电子器件有双极型的 （多子少子都参与导电） （GTO、GTR）、单极型的 （ MOSFET）。GTR又叫 BJT，

有电导调制效应，所以能流过比较大的电流，虽然开关速度偏低，但通流能力比较强。因为是电流驱动，所以需

要的驱动功率比较大， GTO需要的驱动功率更大。而 MOSFET是电压驱动型的，需要的驱动功率小，而且开关速度快，。。。

所以，如果能把这两种管子的优点结合起来，构成一种复合器件，事实证明，是可以的。→绝缘栅双极晶体管。德国把它叫 IGT，也是指 IGBT，叫 IGBT 的比较多。

是 GTR和 MOSFET的复合

在 80 年代后期，就投入市场了，目前，在中小功率场合是主导器件，小功率场合（ 1 千瓦以下，是 MOSFET

的天下），而中等功率，主要是 IGBT 的天下，也往小功率、和大功率场合延伸，它现在是一个主导器件。后面画电路图的时候，经常用 IGBT的符号，做一个代表。

IGBT也在继续发展，现在的 IGBT 常用的是，电压是 1200V 的， 1700V 的也用的不错，还有 3300V 的， 4500V

的也出来了，它也在向更大容量发展，甚至把 GTO取代。（ GTO用于大功率场合）

这部分基本就是 MOSFET，

简化的等效电路图有各种各样的，不同的教材不同的书不一样，这个是一个最简单的画法。 IGBT 是一个

MOSFET和一个 GTR的复合，这里的 GTR是 PNP型。这是最简单的一个等效电路结构。很多地方， 这里画了两

个晶体管，相当于晶闸管（双极型晶体管）模型结构的。 （ P20）

电气符号， E 发射极， C 集电极，这都用的是电力晶体管的电气符号，可见它的主电流导通的通道是电力晶

体管。而基极 B 用 G（ MOSFET的栅极），因为驱动是用 MOSFET来驱动，所以，栅极画的和 MOSFET是一样的。

大模样像一个电力晶体管的符号，但这里（ G 与 E 和 C）是画的绝缘的，就示意这个 IGBT 的驱动 / 门极这块，像

一个 MOSFET一样，名字叫绝缘栅，栅极处是绝缘的。

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相应的还有 P 沟道

IGBT，就是一个 P 沟

道的 MOSFET 和一

个 PNP 晶体（电力

晶体管）管复合。

一个 VDMOSFET（垂直导电双扩散 MOS 结构）和

GTR组合

+

+

（VDMOSFET

IGBT 比 VDMOSFET多一层 P 注入区，形成了一个大面积的

P N 结，所以就有很强的通流能力。

时，时通过在栅源极之间加电压，当电压大于开启电压

UT 时，形成反型层，形成导电沟道，从而使管子的漏极

和源极导电）

* 把它看成一个达林顿结构，就是一个驱动一个，但这个 驱动这块是电压驱动，是一个 MOSFET驱动，这是

一个 PNP 型三极管。

（达林顿接法：一个管子的发射极是另一个管子的集电极，这样一极一极放大，复合而成的新的三极管的放大倍

数是原来二者放大倍数之积。假设一个管子的放大倍数是 8，两个都是 8，放大倍数就是 64，64 用起来就比较方

便了。）

RN 为导电时基区的调制电阻

它的驱动原理和 MOSFET基本一样，也是场控型器件。它的通断是由栅极和发射极电压

UGE决定。

* 要导通——必然是在栅极和发射极间加电压，加电压后，

MOSFET 里首先形成导电沟道，

MOSFET 就通了，

MOSFET通了以后，它就给晶体管提供基极电流，整个

IGBT就处于通态。

（ MOSFET导通的条件： UGE大于开启电压 UGE th ， UGE th

相当于 MOSFET的开启电压 UT）

（ ）

（ ）

通态压降是不大的，因为它向晶体管一样，有电导调制效应。

关断——像 MOSFET 一样，按道理说，如果在栅极不加电压

/ 把电压撤掉，它就会关断。通常为了关断快一

些，或者使关断比较可靠，可以施加一个反向电压。这样，

MOSFET 内的导电沟道就消失了，

MOSFET 不通了，

这样，就不能提供基极电流了，就把

IGBT 关断 了。

20

左图——输入特性，斜率也是跨导。横坐标为栅极和发射极之间的电压，纵坐标为集电极电流。

* 它的输入特性，和电力 MOSFET一样，也是跨导。

像 MOSFET一样，也有个开启电压，相当于 MOSFET的 UT。前面加电压 UGE的时候，基本上都不响应，没有电流建立。

　UGE>UGE（ th） 后，电流才开始建立。

　（开启电压是 IGBT 能导通的最低栅射电压）

实际上叫转移特性，因为它并不是输入电压，输出电流。而是这加电压，那（另一个部位）输出电流。

右图——输出特性，饱和区和电力晶体管 GTR一样，还是叫饱和区。正向阻断区和截止区意思差不多。有源区相当于 GTR的放大区。不同的器件在不同的领域，有不同的叫法。名称不一样，特性都差不多。

（前面说过）所有的电力电子器件，几乎都工作在开关状态。电力 MOSFET一般是工作在截止区和非饱和区

之间来回转换， GTR是在饱和区和截止区之间来回转换， （虽然名称不同，但都对应于图中的底部和左侧区域） ，

而 IGBT是在正向阻断区和饱和区之间来回转换，即工作在开关状态。

动态特性的开关过程画的图，也只是一个示意图，原理图，并不是实际情况下的波形图。

与 MOSFET相似，开通过程也有两部分时间：开通延迟时间和电流上升时间。

栅极和发射极的信

号开始有了（达到

幅值 10%时认为有）

这段时间，相当于死

区，电流还没有建立。

认为到幅值的 10%

二 者

时，电流开始建立。

之 和

为 开

从 ic 幅值的 10%到幅

通 时

值的 90%——电流上

间

升时间，认为电流基

本建立。

*开通后， 集射电压下降明显分两段， 有一个明

显的转折。

*前半段为 IGBT 中 MOSFET 单独工作时，电

压的下降的过程。

　（密勒平台了解）

*后半段为 MOSFET 和晶体管同时工作，电压

的下降过程。

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关断过程也和 MOSFET差不多，分关断延迟时间和电流下降时间。

UGE 开始下降，认为达到幅值的 90%

就是下降开始启动。

*U GE 开始下降后，一开始， Ic 无

变化——关断延迟时间 td（off ）。

*书： td（off ）中包括一个集射电

压上升时间（此时 UGE 维持不变）

总结：开通时， MOSFET先开通，然后 MOSFET和 GTR一起工作

关断时， MOSFET先关断，然后 GTR关断。这是由复合器件的特性决定的。



*电流下降时间分两段，第一段是 MOSFET 的关断过程，第二段是

IGBT 内 PNP 晶体管（电

力晶体管）的关断过程。

*MOSFET 关断过程中

电流下降速度比 GTR 快 → MOSFET 开关 过程快。（开通过程中， 集射电压下降过程，也体

现 MOSFET 速度快）

——集电极和发射极之间的电压，都用的是电力晶体管的名词，它们之间能承受的最

最大集射极间电压 UCES

大电压，主要是由击穿电压决定，管子不能打穿，要留一点余量。

（与 MOSFET的漏极电压差不多，书

P33）

最大集电极电流——也是包括直流电流和脉冲电流。

（与 MOSFET的主要参数（ 2）差不多，书 P33）

最大集电极功耗——功耗就是集电极功耗，因为发热主要在集电极那里。

这些名词和电力晶体管叫法都一样，因为它的主要通道基本是一个晶体管。

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IGBT的开关速度还是比较高的， IGBT 的开关速度比 MOSFET要低，但是比电力晶体管要高很多。

如果电压和电流定额相同， 它的安全工作区比较大， 没有二次击穿的问题， 耐脉冲电流冲击的能力也比较强。

（ GTR存在二次击穿问题，当 GTR 的集电极电压高到击穿电压时，首先是雪崩击穿 / 一次击穿，可以降低集电

极电压，管子一般还能用。但如果集电极电流增大到某个值时，出现电压突然下降，则发生二次击穿，管子永久

损坏。所以管子使用时的电流电压和耗散功率取值必须在安全工作区内。 ）

因为它利用了电力晶体管里面的电导调制效应，所以通态压降比 VDMOSFET低。

输入部分就是一个 MOSFET，所以输入部分与 MOSFET类似，输入阻抗高。

一种器件能够生存，必然有它的特点，对 IGBT来讲，与 GTR相比，都是适用于中等功率场合，但是 IGBT比

GTR的开关速度快，驱动功率小。这样，早期 IGBT 刚刚上市，比较贵，后来产量大了，价格与 GTR差不多，这

样， GTR与 IGBT相比，没有优势，存在的价值慢慢就没有了，这就是 GTR最终退出历史舞台的一个原因，只红

了 1、20 年。

而 IGBT现在成为电力电子器件里面的绝对主流的器件，在各种范围，特别是中等功率范围内，中等功率范围

应该是电力电子器件主要的工作范围，小功率是 MOSFET的天下，中等功率基本是 IGBT 的天下，大功率是 GTO、晶闸管的天下。

IGBT在使用时还有一些问题

擎住效应 / 自锁效应——讲的等效电路图 2-23（书）是比较简单的，一个 MOSFET驱动一个晶体管。稍微复

杂一点的结构，主电路那块，晶体管那里是一个晶闸管（半控型器件） ，它寄生了一个晶闸管，晶闸管有可能通

了以后锁住了，断不掉了，再施加反向电压，关不断了，这就叫擎住了，或自锁住了。

（晶闸管——只能用门极控制其导通， 只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某

一数值以下，才可使其关断。晶闸管的导通是由于它的正反馈。 P20

门极可关断晶闸管 GTO——通过在门极施加负的脉冲电流可使其关断，但与普通晶闸管相比，它的饱和程度不

深，为门极控制关断提供条件。 P26

所以，对于 IGBT 中的晶闸管，容易像普通晶闸管一样，被触发导通后，及时撤销触发信号，晶闸管由于进入正

反馈而维持导通一样。——擎住效应）

* 现在的 IGBT已经经过好几代了，第四代，第五代，早期的 IGBT 的擎住效应还是比较明显的，所以如果电流过

大，弄不好了，管子可能就管不断了。现在的 IGBT这个问题已经越来越小了。

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IGBT 有安全工作区，它的安全工作区比 GTR 大一些，安全工作区一般是由三条曲线组成：电压、电流、功

率不能超过某个值，而 GTR还有一个二次击穿曲线，它和三条曲线有相交的地方（书 P30），为了安全工作，要严格考虑这四条曲线。而 IGBT 没有二次击穿的问题，所以它少一条曲线，它的安全工作区大一些，但它毕竟有安全工作范围，超过这个范围，管子还是会损坏的。

IGBT它往往和一个二极管反并联装在一起， 制成一个模块。

　因为，实际使用， 实际电路里面， 一般不需要 IGBT

反向导电，反向就是要有一个二极管，并联，所以直接制成模块。现在卖的 IGBT，几乎都是一个 IGBT 器件反并

联一个二极管，这个复合器件就相当于一个逆导器件（反方向加电压是导电的） 。

后面学电路可以知道，电路分电压型、电流型，反正电压型的电路，几乎都是需要反并联一个二极管的。所以基本都这样用，管子做就是做成这个样子

总结：

前面讲了三大类器件：

* 不可控器件：电力二极管，它还有快速二极管、肖特基二极管

* 半控型器件：晶闸管，它有家族，有逆导的、双向的

* 全控型器件：如果到了门极可关断晶闸管，就进入全控型器件的范畴了。重点介绍了四种： GTO、 GTR、

后两种（电力 MOSFET、 IGBT）应用最广泛，是非常重要的。

前面讲的是一些典型的全控型电力电子器件，除了这四种以外，电力电子器件的种类非常多，还有其他一些

新型的电力电子器件，这些器件的使用范围都不及 MOSFET和 IGBT那么广，但他们也有一定的使用场合。

上网查找相关电力电子器件资料。

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