【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ton=td+tr ? 普通晶閘管的延遲時(shí)間為 ，上升時(shí)間為 ～ 3us。 其延遲時(shí)間隨門(mén)極電流的增大而減小 。 46 電力工程系 uA Ktt00tr rtg riAt1t2t3t4to f f 晶閘管的基本特性及主要參數(shù) 關(guān)斷過(guò)程 ? 反向恢復(fù)時(shí)間 trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至近于零的時(shí)間?；謴?fù)對(duì)反向電壓的阻斷能力。 ? 門(mén)極恢復(fù)時(shí)間 tgr：晶閘管完全關(guān)斷至恢復(fù)阻斷能力所需時(shí)間。恢復(fù)對(duì)正向電壓的阻斷能力。 ? 關(guān)斷時(shí)間 ： toff=trr+tgr ? 普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約為幾百微秒。 47 電力工程系 晶閘管的基本特性及主要參數(shù) 3. 動(dòng)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(mén)極開(kāi)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。過(guò)大會(huì)導(dǎo)致誤導(dǎo)通。 – 通態(tài)電流臨界上升率 di/dt ：在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。過(guò)大會(huì)導(dǎo)致門(mén)極局部過(guò)熱。 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。 ? 1964年， GE公司研制出雙向晶閘管（ TRIAC），用于調(diào)光和馬達(dá)控制； ? 1965年，小功率光觸發(fā)晶閘管出現(xiàn)； ? 1974年，逆導(dǎo)晶閘管和非對(duì)稱(chēng)晶閘管研制完成。 49 電力工程系 晶閘管的派生器件 ? 普通晶閘管： – 開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，允許的電流上升率較小，其工作頻率受到限制，主要用于工頻電路中。 ? 快速晶閘管： – 工作頻率高于 400Hz，開(kāi)關(guān)時(shí)間短， toff≤50μs ，通態(tài)壓降和開(kāi)關(guān)損耗低； – 應(yīng)用于斬波器、中頻逆變電源等電力電子裝置中。 ? 高頻晶閘管： – 工作頻率高于 10KHz。 50 電力工程系 晶閘管的派生器件 ? 逆導(dǎo)晶閘管 – 反向?qū)ǖ木чl管，即： 逆阻型晶閘管與二極管反并聯(lián)集成在同一硅片上。 – 正向：與逆阻型晶閘管相同，反向：為二極管的正向特性。 – 用于反向不需要承受阻斷電壓但需要二極管續(xù)流的電路中。 逆導(dǎo)晶閘管的符號(hào)和靜態(tài)伏安特性 (a)符號(hào)； (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(duì)反并聯(lián)的普通晶閘管。 – 具有觸發(fā)電路簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。用于交流電力控制電路中。 – 額定電流用有效值表征。 雙向晶閘管的符號(hào)和靜態(tài)伏安特性 (a)符號(hào)； (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(hào)：一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)。 – 常用于高電壓電路中，如高壓直流輸電等。 光控晶閘管的符號(hào)和靜態(tài)伏安特性 (a)符號(hào)； (b)靜態(tài)伏安特性 53 電力工程系 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 ? GTO ：（ Gate Turn Off） Thyristor ? 在直流斬波等電路中，無(wú)法利用反向電壓關(guān)斷晶閘管。為此必須附加強(qiáng)迫換流電路，使電力電子裝置復(fù)雜化。 ? 美國(guó) 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。 ? 電壓、電流容量高于其它全控型器件，但驅(qū)動(dòng)技術(shù)復(fù)雜、價(jià)位高，使其推廣受到限制。 54 電力工程系 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 GTO的結(jié)構(gòu)與工作原理 GTO的動(dòng)態(tài)特性 GTO的主要參數(shù) 55 電力工程系 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 1. 結(jié)構(gòu) ? 四層結(jié)構(gòu) ? 可看成多個(gè)單元 GTO并聯(lián)而成，陽(yáng)極共有，陰極由數(shù)百個(gè)長(zhǎng)條并聯(lián)，減小門(mén)極與陰極距離。 ? GTO元特性應(yīng)一致。 ? 屬于電流驅(qū)動(dòng)、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(dòng)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(mén)極相對(duì)于陰極施加負(fù)壓時(shí)，只有靠近門(mén)極的部分載流子被抽走。 ? GTO工藝改進(jìn)： – 陰極由數(shù)百個(gè)長(zhǎng)條并聯(lián)，減小門(mén)極與陰極距離； – α2較大，使 V2管控制靈敏， Ic1較小，易于關(guān)斷； – 導(dǎo)通深度不同，臨界飽和時(shí)正向壓降較大 。 58 電力工程系 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 3. 工作原理 —— 導(dǎo)通過(guò)程 ? GTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管相同，只是飽和程度較淺。 – 導(dǎo)通： V V2飽和， ?1+?21； – 關(guān)斷： V V2不飽和， ?1+?21； – 臨界飽和： ?1+?2＝ 1； – 晶閘管導(dǎo)通時(shí) ?1+?2＝ ； – GTO 導(dǎo)通時(shí) ?1+?2＝ 。 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(guò)程 ? 強(qiáng)烈正反饋過(guò)程 —— 門(mén)極加負(fù)脈沖，即從門(mén)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。 2 2 1 1()G B C B CI I I I I? ? ? ? ? ?抽 出R A GK E V 1 V 2 I GI B2IC2(I )B1I C160 電力工程系 . GTO的動(dòng)態(tài)特性 ? 開(kāi)通特性： 與普通晶閘管類(lèi)似，開(kāi)通時(shí)間ton由延遲時(shí)間 td和上升時(shí)間 tr組成 。 ? 關(guān)斷過(guò)程： 則與晶閘管有所不同，可用 3個(gè)不同的時(shí)間來(lái)表示，即存儲(chǔ)時(shí)間 ts、下降時(shí)間 tf及尾部時(shí)間 tt Ot0tiGiAIA9 0 % IA1 0 % IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t661 電力工程系 . GTO的動(dòng)態(tài)特性 ? 存儲(chǔ)時(shí)間 ts： – 依靠門(mén)極負(fù)脈沖電壓從門(mén)極抽出導(dǎo)通時(shí)存儲(chǔ)的大量載流子，晶體管飽和深度變淺。 ? 下降時(shí)間 tf： – 繼續(xù)從門(mén)極抽出電流，陽(yáng)極電流逐漸減小，當(dāng) α1+α2≤1后，內(nèi)部正反饋停止而使 GTO退出飽和。 ? 尾部時(shí)間 tt： – 殘留載流子復(fù)合時(shí)間。 62 電力工程系 . GTO的主要參數(shù) ? 許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。 ? 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流 IATO – GTO額定電流。由門(mén)極可靠關(guān)斷為決定條件的最大陽(yáng)極電流，避免 GTO處于深度飽和狀態(tài)，導(dǎo)致門(mén)極關(guān)斷失敗。 ? 電流關(guān)斷增益 ?off – 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值 IGM之比。數(shù)值低： 4~5，主要缺點(diǎn)。 ? off ? ATO I GM ___________ I 63 電力工程系 電力晶體管 ? 電力晶體管 (Giant Transistor)，又稱(chēng)雙結(jié)晶體管（ Bipolar Junction TransistorBJT），產(chǎn)生于 70年代。 ? 高壓大功率領(lǐng)域主要是 NPN結(jié)構(gòu)，其基本原理是通過(guò)控制基極電流來(lái)控制集電極電流的通斷。 ? 屬于電流驅(qū)動(dòng)、雙極型、全控器件。 ? 相對(duì)于 GTO優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)控制方便、開(kāi)關(guān)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。 ? 主要應(yīng)用：交流電機(jī)調(diào)速、不間斷電源（ UPS）以及家用電器等中小容量的變流裝置中。 64 電力工程系 GTR的結(jié)構(gòu) ? 三層半導(dǎo)體兩個(gè) PN結(jié)構(gòu)。 ? 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。 ? 基極與發(fā)射極在一個(gè)平面上成交叉指型，提高器件電流能力。 ? 達(dá)林頓管： 電流增益提高、但飽和壓降增加、開(kāi)關(guān)速度降低。 ? 采用集成電路工藝將許多達(dá)林頓單元并聯(lián)而成模塊。 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 。 ? 器件作為開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)，其工作只穩(wěn)定在 截止區(qū)和飽和區(qū)兩個(gè)狀態(tài)，但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中要經(jīng)過(guò)放大區(qū)的過(guò)渡。 ? 要使驅(qū)動(dòng)電流足夠大， 避免GTR工作于線性區(qū) ，否則功耗將會(huì)很大。為什么？ 1. 靜態(tài)特性 66 電力工程系 GTR的特性 ? 開(kāi)通過(guò)程 – 延遲時(shí)間 td和上升時(shí)間 tr之和為開(kāi)通時(shí)間 ton。 – 增大基極驅(qū)動(dòng)電流 ib的幅值并增大 dib/dt，可以加快開(kāi)通過(guò)程。 ? 關(guān)斷過(guò)程 – 儲(chǔ)存時(shí)間 ts和下降時(shí)間 tf之和為關(guān)斷時(shí)間 toff。 – 減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度，或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可以加快關(guān)斷速度。 ? GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以?xún)?nèi)。 2. 動(dòng)態(tài)特性 67 電力工程系 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ? 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (Power MOSFET)， FET：場(chǎng)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(guò)柵極電壓來(lái)控制漏極電流。 ? 顯著優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)功率小，同時(shí)開(kāi)關(guān)速度快（開(kāi)關(guān)時(shí)間 10~100ns），工作頻率可達(dá)１ MHz，不存在二次擊穿問(wèn)題； ? 缺點(diǎn)：電流容量小，耐壓低，通態(tài)壓降大。 ? 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管適用于開(kāi)關(guān)電源、高頻感應(yīng)加熱等高頻場(chǎng)合，但不適用于大功率裝置。 68 電力工程系 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 結(jié)構(gòu)和工作原理 特性 參數(shù) 69 電力工程系 Power MOSFET的 結(jié)構(gòu)和工作原理 ? MOSFET種類(lèi) 增強(qiáng)型 UGS=0時(shí)，無(wú)導(dǎo)電溝道， ID=0 耗盡型 UGS=0時(shí)，存在導(dǎo)電溝道 結(jié)型 —— 靜電感應(yīng)晶體管 種類(lèi) P溝道 空穴 N溝道 電子 絕緣柵型 功率 MOSFET垂直導(dǎo)電 利用 V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電 VVMOSFET 具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散 MOS結(jié)構(gòu) VDMOSFET 小功率 MOS橫向?qū)щ? 70 電力工程系 1. 結(jié)構(gòu)