【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 晶閘管的派生器件 2） 雙向晶閘管 （ Triode AC Switch—— TRIAC或 Bidirectional triode thyristor） 圖 210 雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性 a) b) I O U I G = 0 G T 1 T 2 可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。 有兩個(gè)主電極 T1和 T2，一個(gè)門極 G。 在第 Ｉ 和第 III象限有對(duì)稱的伏安特性。 不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值 。 60 晶閘管的派生器件 3) 逆導(dǎo)晶閘管 （ Reverse Conducting Thyristor—— RCT） a) K G A b) U O I I G = 0 圖 211 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性 將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。 具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。 61 晶閘管的派生器件 4) 光控晶閘管 （ Light Triggered Thyristor—— LTT） A G K a) AK 光強(qiáng)度 強(qiáng) 弱 b) O U I A 圖 212 光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性 又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響。 因此目前在高壓大功率的場(chǎng)合。 62 GKAAGKJ2光控晶閘管符號(hào)及等值電路 63 典型全控型器件 門極可關(guān)斷晶閘管 電力晶體管 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 絕緣柵雙極晶體管 64 典型全控型器件 引言 門極可關(guān)斷晶閘管 ——在晶閘管問世后不久出現(xiàn) 。 20世紀(jì) 80年代以來(lái) ， 電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代 。 典型代表 ——門極可關(guān)斷晶閘管 、 電力晶體管 、 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 、 絕緣柵雙極晶體管 。 65 典型全控型器件 引言 常用的 典型全控型器件 電力 MOSFET IGBT單管及模塊 66 門極可關(guān)斷晶閘管 晶閘管的一種派生器件 。 可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷 。 GTO的電壓 、 電流容量較大 ， 與普通晶閘管接近 ， 因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用 。 門極可關(guān)斷晶閘管 （ GateTurnOff Thyristor —GTO） 67 門極可關(guān)斷晶閘管 結(jié)構(gòu) ： 與普通晶閘管的 相同點(diǎn) ： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) ， 外部引出陽(yáng)極 、 陰極和門極 。 和普通晶閘管的 不同點(diǎn) ： GTO是一種多元的功率集成器件 。 c)圖1 1 3AG K G GKN1P1N2N2 P2b)a)AGK圖 213 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號(hào) 1） GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 68 門極可關(guān)斷晶閘管 工作原理 ： 與普通晶閘管一樣 ， 可以用圖 17所示的雙晶體管模型來(lái)分析 。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a) b)圖 27 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 ?1+?2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。 由 P1N1P2和 N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管 V V2分別具有共基極電流增益 ?1和 ?2 。 69 門極可關(guān)斷晶閘管 GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下 區(qū)別 ： 設(shè)計(jì) ?2較大，使晶體管 V2控 制靈敏，易于 GTO。 導(dǎo)通時(shí) ?1+?2更接近 1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得 P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)圖 27 晶閘管的工作原理 70 門極可關(guān)斷晶閘管 GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣 ， 只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺 。 GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷 。 多元集成結(jié)構(gòu)還使 GTO比普通晶閘管開通過程快 ，承受 di/dt能力強(qiáng) 。 由上述分析我們可以得到以下 結(jié)論 ： 71 門極可關(guān)斷晶閘管 開通過程 ： 與普通晶閘管相同 關(guān)斷過程 ： 與普通晶閘管有所不同 儲(chǔ)存時(shí)間 ts， 使等效晶體管退出飽和 。 下降時(shí)間 tf 尾部時(shí)間 tt —?dú)埓孑d流子復(fù)合 。 通常 tf比 ts小得多 ， 而 tt比 ts要長(zhǎng) 。 門極負(fù)脈沖電流幅值越大 ， ts越短 。 O t 0 t i G i A I A 90% I A 10% I A t t t f t s t d t r t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 圖 214 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形 2) GTO的動(dòng)態(tài)特性 72 門極可關(guān)斷晶閘管 3) GTO的主要參數(shù) —— 延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約1~2?s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流的增大而增大。 —— 一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般小于 2?s。 （ 2） 關(guān)斷時(shí)間 toff （ 1） 開通時(shí)間 ton 不少 GTO都制造成逆導(dǎo)型 ， 類似于逆導(dǎo)晶閘管 ， 需承受反壓時(shí) ， 應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 。 許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。 73 門極可關(guān)斷晶閘管 （ 3） 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流 IATO （ 4） 電流關(guān)斷增益 ?off ?off一般很小，只有 5左右，這是 GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的 GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要 200A 。 ——GTO額定電流。 ——最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值 IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。 （ 28） GMA T Oof f II??74 電力晶體管 電力晶體管 （ Giant Transistor——GTR， 直譯為巨型晶體管 ） 。 耐高電壓 、 大電流的雙極結(jié)型晶體管（ Bipolar Junction Transistor——BJT） ，英文有時(shí)候也稱為 Power BJT。 應(yīng)用 20世紀(jì) 80年代以來(lái) ， 在中 、 小功率范圍內(nèi)取代晶閘管 ， 但目前又大多被 IGBT和電力MOSFET取代 。 術(shù)語(yǔ)用法 ： 75 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。 主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。 通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。 采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。 電力晶體管 1） GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 圖 215 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng) 76 電力晶體管 在應(yīng)用中 ， GTR一般采用共發(fā)射極接法 。 集電極電流 ic與基極電流 ib之比為 （ 29） ? ——GTR的 電流放大系數(shù) ，反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力 。 當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流 Iceo時(shí) ， ic和 ib的關(guān)系為 ic=? ib +Iceo （ 210） 單管 GTR的 ? 值比小功率的晶體管小得多 ， 通常為 10左右 ， 采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益 。 bcii??空穴流 電 子 流 c) E b E c i b i c = ? i b i e =(1+ ? ) i b 1） GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 77 電力晶體管 (1) 靜態(tài)特性 共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性： 截止區(qū) 、 放大區(qū)和 飽和區(qū) 。 在電力電子電路中 GTR工作在開關(guān)狀態(tài) 。 在開關(guān)過程中 ， 即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí) ，要經(jīng)過放大區(qū) 。 截止區(qū) 放大區(qū) O I c i b3 i b2 i b1 i b1 ib2 i b3 U ce 圖 216 共發(fā)射極接法時(shí) GTR的輸出特性 2） GTR的基本特性 78 電力晶體管 開通過程 延遲時(shí)間 td和上升時(shí)間 tr，二者之和為 開通時(shí)間 ton。 加快開通過程的辦法 。 關(guān)斷過程 儲(chǔ)存時(shí)間 ts和下降時(shí)間 tf，二者之和為 關(guān)斷時(shí)間 toff 。 加快關(guān)斷速度的辦法 。 GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi) ， 比晶閘管和 GTO都短很多 。 i b I b1 I b2 I cs i c 0 0 90% I b1 10% I b1 90% I cs 10% I cs t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t t t off t s t f t on t r t d 圖 217 GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形 (2) 動(dòng)態(tài)特性 79 電力晶體管 前已述及：電流放大倍數(shù) ?、 直流電流增益 hFE、 集射極間漏電流 Iceo、 集射極間飽和壓降 Uces、 開通時(shí)間 ton和關(guān)斷時(shí)間 toff (此外還有 )： 1) 最高工作電壓 GTR上電壓超過規(guī)定值時(shí)會(huì)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) 。 BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo。 實(shí)際使用時(shí) ， 最高工作電壓要比 BUceo低得多 。 3） GTR的主要參數(shù) 80 電力晶體管 通常規(guī)定為 hFE下降到規(guī)定值的 1/2~1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的 Ic 。 實(shí)際使用時(shí)要留有裕量 ， 只能用到 IcM的一半或稍多一點(diǎn) 。 3) 集電極最大耗散功率 PcM 最高工作溫度下允許的耗散功率 。 產(chǎn)品說(shuō)明書中給 PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫 TC， 間接表示了最高工作溫度 。 2) 集電極最大允許電流 IcM 81 電力晶體管 一次擊穿 ： 集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí) ， Ic迅速增大 。 只要 Ic不超過限度 ， GTR一般不會(huì)損壞 ， 工作特性也不變 。 二次擊穿 ： 一次擊穿發(fā)生時(shí) ， Ic突然急劇上升 ， 電壓陡然下降 。 常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞 ， 或者工作特性明顯衰變 。 安 全 工 作 區(qū) （ Safe Operating Area—— SOA） 最高電壓 UceM、 集電極最大電流 IcM、 最大耗散功率 PcM、二次擊穿臨界線限定 。 SOA O I c I cM P SB P cM U ce U ceM 圖 218 GTR的安全工作區(qū) 4) GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) 82 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 分為 結(jié)型 和 絕緣柵型 通常主要指 絕緣柵型 中的 MOS型 （ Metal Oxide Semiconductor FET） 簡(jiǎn)稱電力 MOSFET（ Power MOSFET） 結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管 （ Static Induction Transistor——SIT） 特點(diǎn) ——用柵極電壓來(lái)控制漏極電流 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單 ， 需要的驅(qū)動(dòng)功率小 。 開關(guān)速度快 ， 工作頻率高 。 熱穩(wěn)定性優(yōu)于 GTR。 電流容量小 ， 耐壓低 ， 一般只適用于功率不超過 10kW的電力電子裝臵 。 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管利用 PN結(jié)反向電壓對(duì)耗盡層厚度的控制來(lái)改變漏極、源極之間的導(dǎo)電溝道寬度，從而控制漏極、源極之間電流的大小。 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管利用柵極和源極之間的電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)來(lái)改變半導(dǎo)體表面的感生電荷改變導(dǎo)電溝道的導(dǎo)電能力，從而控制 漏極