【正文】 晶閘管及其派生器件 晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理 晶閘管的基本特性及主要參數(shù) 晶閘管的派生器件 29 電力工程系 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 1. 結(jié)構(gòu) ? 四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，三個(gè) PN結(jié)； ? 陽極 A、陰極 K和門極 G （控制端）三個(gè)端子。 – 缺點(diǎn)：多用于 200V以下的低壓場合；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。 25 電力工程系 電力二極管的主要類型 ? 快恢復(fù)二極管 （ Fast Recovery Diode—— FRD） – 恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短（一般在 5?s以下） ，但通態(tài)壓降較高。 2~3倍裕量。 – 正向平均電流按照電流的發(fā)熱效應(yīng)定義，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則選取電力二極管的電流額定值，應(yīng)留有一定的裕量。 – 反向恢復(fù)時(shí)間： trr=td+ tf – 延遲時(shí)間 td ，電流下降時(shí)間 tf 21 電力工程系 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性 ? 正向恢復(fù)過程 – 先出現(xiàn)一個(gè)過沖 UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降。 – 承受反向電壓時(shí) ， 只有少子引起微小的反向漏電流 。+++++空間電荷區(qū)P 型區(qū) N 型區(qū)內(nèi)電場16 電力工程系 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣 圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號 A K A K a) I K A P N J b) c) A K 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性 結(jié)構(gòu)： 電力二極管是由一個(gè)面積較大的 PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。+++ 。 。 。 14 電力工程系 電力二極管 PN結(jié)的工作原理 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性 電力二極管的主要參數(shù) 電力二極管的主要類型 15 電力工程系 PN結(jié)的工作原理 二極管的基本原理 —— PN結(jié)的單向?qū)щ娦? ? 正向?qū)顟B(tài)： 正向偏置時(shí)，表現(xiàn)為低阻態(tài)； ? 反向截止?fàn)顟B(tài)： 反向偏置時(shí)，表現(xiàn)為高阻態(tài)，只有漏電流； ? 反向擊穿： 當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞 PN結(jié)的反向截止工作狀態(tài)。 ? 電流型器件： – 輸入阻抗低， 驅(qū)動功率較大 ，電路也較復(fù)雜。 ? 由信息電子電路來控制，并且需要驅(qū)動電路。 ? 電力電子器件 – 直接用于處理電能的主電路中，以開關(guān)方式實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 – 廣義上可分為：電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前專指功率半導(dǎo)體器件 。 ? 自身的功率損耗遠(yuǎn)大于微電子器件，一般需要安裝散熱器。 ? 電壓型器件： – 輸入阻抗很高， 驅(qū)動功率小 ，驅(qū)動電路簡單。 – 雪崩擊穿和齊納擊穿，可恢復(fù)； – 熱擊穿， PN結(jié)因過熱而燒毀。 。 。++++ 外形： 螺栓型、平板型等多種封裝。 I 0 I F U TO U F U 電力二極管的伏安特性 ? 靜態(tài)特性： 主要指其伏安特性； ? 動態(tài)特性： 反映 開通或關(guān)斷過程 中電壓 — 電流隨時(shí)間變化的動態(tài)特性。 – 正向恢復(fù)時(shí)間 tfr – 出現(xiàn)電壓過沖的原因：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量少子需要一定的時(shí)間來儲存，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大；正向電流的上升會因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。 ? 正向壓降 UF – 電力二極管在正向電流導(dǎo)通時(shí)二極管上的正向壓降。 ? 反向漏電流 ? 最高工作結(jié)溫 ? 反向恢復(fù)時(shí)間 ? 浪涌電流 24 電力工程系 電力二極管的主要類型 ? 普通二極管 （ General Purpose Diode） – 又稱整流二極管（ Rectifier Diode），多用于開關(guān)頻率不高（ 1kHz以下）的整流電路中。 – 從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級。 27 電力工程系 晶閘管及其派生器件 ? 晶閘管的誕生： – 1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管； – 1957年美國 GE公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品，并于 1958年使其商業(yè)化。 ? 屬于電流驅(qū)動、雙極型、半控型器件，可等效為可控的單向?qū)щ婇_關(guān)。 2 2 1 1()G B C B CI I I I I? ? ? ? ? ?3. 工作原理 P 1 A G KN 1 P 2 P 2 N 1 N 2 R A GK E V 1 V 2 I GI B2IC2(I )B1I C134 電力工程系 R A G KI G E I K I C 2 I C 1 I A V 1 V 2 I B 2 ( I )B 1由晶閘管等效電路可得： IC1 = a1IA + ICBO1 (11) IC2 = a2IK + ICBO2 (12) IK = IA + IG (13) IA = IC1 + IC2 (14) a1和 a2分別是晶體管 V1和 V2 的共基極電流增益； ICBO1和 ICBO2分別是 V1和 V2的共基極漏電流。 ? 晶閘管一旦導(dǎo)通 ， 門極就失去控制作用 ， 即使去除門極觸發(fā)信號 ， 仍然維持導(dǎo)通 。 ? 導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。 ? 當(dāng)反向電壓超過一定限度 ，到反向擊穿電壓 URB后 ， 外電路如無限制措施 ， 則反向漏電流急劇增加 ， 導(dǎo)致晶閘管反向擊穿 、 損壞 。 – 電壓裕度： 一般取正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓的 2～3倍。 ? 正弦半波波形系數(shù)（有效值與平均值之比）為 。 – 掣住電流 IL：晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后 ， 能維持其導(dǎo)通所必需的最小陽極電流 。 0UA KIAIHIG 2IG 1IG= 0UD BUD S MUD R MUR R MUR S MILUR B44 電力工程系 晶閘管的基本特性及主要參數(shù) 3. 動態(tài)特性及其參數(shù) ? 動態(tài)特性： 晶閘管在阻斷、導(dǎo)通這兩種狀態(tài)變換過程中所體現(xiàn)的特性，包括開通特性和關(guān)斷特性。 ? 上升時(shí)間 tr：陽極電流從額定值 10%上到 90%所需時(shí)間 ?；謴?fù)對反向電壓的阻斷能力。 47 電力工程系 晶閘管的基本特性及主要參數(shù) 3. 動態(tài)特性及其參數(shù) – 斷態(tài)電壓臨界上升率 du/dt ：在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。 48 電力工程系 晶閘管的派生器件 ? 晶閘管誕生后，其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和工藝的改革，為新的器件的出現(xiàn)提供了條件。 ? 高頻晶閘管： – 工作頻率高于 10KHz。 逆導(dǎo)晶閘管的符號和靜態(tài)伏安特性 (a)符號； (b)靜態(tài)伏安特性 51 電力工程系 晶閘管的派生器件 ? 雙向晶閘管 – 正、反兩個(gè)方向都能控制導(dǎo)通，可以看成一對反并聯(lián)的普通晶閘管。 雙向晶閘管的符號和靜態(tài)伏安特性 (a)符號； (b)靜態(tài)伏安特性 52 電力工程系 晶閘管的派生器件 ? 光控晶閘管 – 觸發(fā)信號：一定波長的光照信號。 ? 美國 1964年試制成功 500V/10A的 GTO， 70年代中期之后取得突破，容量達(dá) 9kV/, 6kV/6kA/1kHz。 ? 屬于電流驅(qū)動、雙極型、全控器件 N 1P1 P 2AKGN2N2N2AGK56 電力工程系 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 2. 外形 GTO驅(qū)動電路 57 電力工程系 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 3. 工作原理 ? SCR不能關(guān)斷原因： – 陰極太大，當(dāng)門極相對于陰極施加負(fù)壓時(shí)，只有靠近門極的部分載流子被抽走。 59 電力工程系 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 3. 工作原理 —— 關(guān)斷過程 ? 強(qiáng)烈正反饋過程 —— 門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，則 ? 當(dāng) IA和 IK的減小使 ?1+?21時(shí)，退出飽和而關(guān)斷。 ? 尾部時(shí)間 tt： – 殘留載流子復(fù)合時(shí)間。 ? 電流關(guān)斷增益 ?off – 最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值 IGM之比。 ? 屬于電流驅(qū)動、雙極型、全控器件。 ? 在重?fù)诫s的 N+半導(dǎo)體襯底上設(shè)置輕摻雜的 N區(qū)，提高器件耐壓能力。 a )P 基 區(qū)N+襯 底P+P+N+b )N漂 移 區(qū)基 極 B 發(fā) 射 極 E基 極 B集 電 極 CBECBEC達(dá)林頓管 65 電力工程系 GTR的特性 ? 共射極接法，截止區(qū) Ⅰ 、放大區(qū) Ⅱ 、臨界飽和區(qū) Ⅲ 和深飽和區(qū) Ⅳ 。 – 增大基極驅(qū)動電流 ib的幅值并增大 dib/dt，可以加快開通過程。 2. 動態(tài)特性 67 電力工程系 功率場效應(yīng)晶體管 ? 功率場效應(yīng)晶體管 (Power MOSFET)， FET：場效應(yīng)晶體管，MOS：金屬、氧化物、半導(dǎo)體 ? 單極型、電壓控制器件 ，通過柵極電壓來控制漏極電流。 ? 正向（ UDS0 ）截止 – 當(dāng) UGS=0時(shí)， P基區(qū)與 N漂移區(qū)之間形成的 PN結(jié) J1反偏，漏源極之間無電流流過。 N+N+NSGDP PN+N+N+溝 道73 電力工程系 Power MOSFET的 結(jié)構(gòu)和工作原理 2. 工作原理 ? 不存在少子儲存效應(yīng)，因而其關(guān)斷非常迅速。 ? 工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū) I和非飽和區(qū) II之間來回轉(zhuǎn)換。 ? ID較大時(shí)， ID與 UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率被定義為 MOSFET的跨導(dǎo) Gfs，即 ? 是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。 ? 漏極直流電流 ID和漏極脈沖電流幅值 IDM ：額定電流。 78