【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 G2A ??? ?? ??? IIII 14 晶閘管的基本特性 正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡ + UAUA IAIAIHIG2IG1IG= 0UboUDSMUD R MURRMUR S M （ 1）正向特性 ?IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。 ?正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓 Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。 ?隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。 ?晶閘管本身的壓降很小，在 1V左右。 ?反向特性類似二極管的反向特性。 ?反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流流過。 ?當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。 1) 開通過程 ?延遲時(shí)間 td (~?s) ?上升時(shí)間 tr (~3?s) ?開通時(shí)間 tgt以上兩者之和 ， tgt=td+ tr （ 16） 晶閘管的主要參數(shù) ?斷態(tài)重復(fù)峰值電壓 UDRM ——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。 ?反向重復(fù)峰值電壓 URRM ——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。 ?通態(tài)（峰值）電壓 UT ——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。 通常取晶閘管的 UDRM和 URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的 額定電壓 。 選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電 壓 2~3 倍。 取整 100V 一個(gè)等級(jí) 15 通態(tài)平均電流 IT(AV） 在環(huán)境溫度為 40?C 和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的 最大工頻正弦半波電流的平均值 。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。 使用時(shí)應(yīng)按 有效值相等的原則 來選取晶閘管。 – 維持電流 IH ： 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。 ?擎住電流 IL :晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來說，通常 IL約為 IH的 2~4倍。 ?浪涌電流 ITSM: 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流 。 通態(tài)平均電流 IT(AV) ?使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流所造成的發(fā)熱效應(yīng)相等 ，即 有效值相等的原則來選取晶閘管。 ?應(yīng)留一定的裕量，一般取 ~2倍。 例： 整流輸出：平均電流 選擇器件：有效電流 波形系數(shù)（額定情況下） 波形系數(shù)： 某電流波形的有效值與平均值之比。 實(shí)際電流（電流波形不一定為正弦半波）的平均電流的確定 : 即： 有效值相等的原則 例：通過一只晶閘管的實(shí)際電流額定有效值為 157A,則額定電流？（考慮 ~全裕量） 0mIi wtdI ??2?? ? mmAVT Iw t d w tII ?? ? s in21 0)(2)()s in(21 0 2 mmTn IwtdwtII ?? ???)( ??? ?AVT Tnf I IK。值的晶閘管，其額定有效例：一只額定電流為 AIKIAI AVTfTnAVT 157100 )()( ????TnAVTdf IIIKI ???? )(df IIK ?:即AII TAVT)200~150( 157)~()~((???） 16 晶閘管的型號(hào) Ｐ — 普通 , Ｋ — 快速型，Ｓ — 雙向型，Ｎ — 逆導(dǎo)型，Ｇ — 可關(guān)斷型 K P [電流 ]─ [電壓 /100] [ ] 如： KP10012G 表示：額定電流為 100A,額定電壓為 1200V，管壓降（通態(tài)平均電壓）為 1V的普通晶閘管。 結(jié) 論 晶閘管導(dǎo)通的條件： （ 1）承受正向陽極電壓； （ 2）門極有觸發(fā)電流； 關(guān)斷條件：（ 1）加反向陽極電壓； 晶閘管的派生器件 ?有 快速晶閘管 和 高頻晶閘管 。 ?開關(guān)時(shí)間以及 du/dt和 di/dt耐量都有明顯改善。 ?普通晶閘管關(guān)斷時(shí) 間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管 10?s左右。 ?高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。 ?由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。 2）雙向晶閘管（ Triode AC Switch—— TRIAC 或 Bidirectional triode thyristor） a) b)IO UIG= 0GT1T2 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表示其額定電流值。 HA II ?)3(????????RUIIHA使)2( 17 3）逆導(dǎo)晶閘管（ Reverse Conducting Thyristor—— RCT） 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)。 4） 光控晶閘管（ Light Triggered Thyristor—— LTT） 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。 作業(yè)、討論題、思考題： 作業(yè)： P42 的作業(yè)與思考題 4； 課后小結(jié)： （在下次課開始的 10 分鐘內(nèi)進(jìn)行） 本次課要點(diǎn)內(nèi)容的回顧； 晶閘管 的 額 定電流如何計(jì)算 ？ 晶閘管的主要參數(shù) 有哪些？ 與普通 晶閘管 相比較，對(duì) GTO 的 結(jié)構(gòu) 、 工作原理 進(jìn)行比較分析 。 b) U O I I G = 0 K G A 18 教學(xué)內(nèi)容： 上次課主要內(nèi)容小結(jié) 。 典型全控型器件 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，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。 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。 ?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。 ?工作原理： ?與普通晶閘管一樣，可以用圖所示的雙晶體管模型來分析。 授課時(shí)間 第 4 次課，第 2 周星期 三 第 4 節(jié) 課時(shí) 2 授課方式 理論課 √ 討論課□ 習(xí)題課□ 實(shí)驗(yàn)課□ 上機(jī)課□ 技能課□ 其他□ 授課題目 典型全控型器件 其他新型電力電子器件 目的與要求 （ 1） 熟悉 可關(guān)斷晶閘管（ GTO）的結(jié)構(gòu)和工作原理 ，了解有關(guān)特性和參數(shù)。（ 2）熟悉 電力晶體管（ GTR） 、 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ PMOSFET）的結(jié)構(gòu)和工作原理； （ 3） 了解 GTR、 PMOSFET 的伏安特性和主要參數(shù)； 重點(diǎn)與難點(diǎn) 重點(diǎn)：熟悉 GTR、 PMOSFET 的結(jié)構(gòu) ，在此基礎(chǔ)上 掌握 它們 工作原理；絕緣柵雙極型晶體管（ IGBT）的結(jié)構(gòu)和工作原理； 難點(diǎn)：上述各種器件的導(dǎo)通和關(guān)斷過程分析。 手段及方法 用多媒體展 示 全控型器件 的結(jié)構(gòu) 進(jìn)行工作原理的講解分析 ， 簡(jiǎn)要說明介紹其特性 和主要參數(shù) 。 19 ?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 ： ?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) 。 ?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。 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，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。 GTR 的結(jié)構(gòu)和工作原理 ?在應(yīng)用中， GTR一般采用共發(fā)射極接法。 (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)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1 ib2 ib3Uce截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū) 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。 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 。 20 ?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 。 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。 ?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)。 2） 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 。 ?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 。 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） ?電力 MOSFET的種類 ? 按導(dǎo)電溝道可分為 P溝道 和 N溝道。 ? 耗盡型 ——當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。 ? 增強(qiáng)型 ——對(duì)于 N（ P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。 ? 電力 MOSFET主要是 N溝道增強(qiáng)型。 ?電力 MOSFET的結(jié)構(gòu) ?小功率 MOS管是橫向?qū)щ娖骷? ?電力 MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為 VMOSFET（ Vertical MOSFET）。 ?按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用 V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的 VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散 MOS結(jié)構(gòu)的 VDMOSFET（ Vertical Doublediffused MOSFET）。 ?這里主要以 VDMOS器件為例進(jìn)行討論。 21 截止： 漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。 –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。 導(dǎo)電： 在柵源極間加正電壓 UGS –當(dāng) UGS大于 UT時(shí)， P型半導(dǎo)體反型成 N型而成為 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 。 （ 1） 靜態(tài)特性 ?漏極電流 ID和柵源間電壓 UGS的關(guān)系稱為 MOSFET的 轉(zhuǎn)移特性。 ?ID較大時(shí)， ID與 UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為 跨導(dǎo) Gfs。 010203050402 4 6 8a)10203050400b)10 20 30 5040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)I D/AUTUGS/ VUDS/ VUGS= UT= 3VUGS= 4VUGS= 5V