【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ? 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的 不重復(fù)性 最大正向過(guò)載電流 。 晶閘管的主要參數(shù) ■ 動(dòng)態(tài)參數(shù) ◆ 開(kāi)通時(shí)間 tgt和關(guān)斷時(shí)間 tq ◆ 斷態(tài)電壓臨界上升率 du/dt ? 在額定結(jié)溫和門極開(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 。 ? 電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 ◆ 通態(tài)電流臨界上升率 di/dt ? 在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的 最大通態(tài)電流上升率 。 ? 如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。 晶閘管的派生器件 ■ 快速晶閘管（ Fast Switching Thyristor—— FST） ◆ 有 快速晶閘管 和 高頻晶閘管 。 ◆ 快速晶閘管的 開(kāi)關(guān)時(shí)間 以及 du/dt和 di/dt的耐量都有了 明顯改善。 ◆ 從 關(guān)斷時(shí)間 來(lái)看，普通晶閘管一般為 數(shù)百 微秒，快速 晶閘管為 數(shù)十 微秒，而高頻晶閘管則為 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，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的 通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其 開(kāi)關(guān)損耗 的發(fā)熱效應(yīng)。 晶閘管的派生器件 a) b) I O U I G = 0 G T 1 T 2 ■ 雙向晶閘管（ Triode AC Switch—— TRIAC或Bidirectional triode thyristor） ◆ 可以認(rèn)為是一對(duì) 反并聯(lián)聯(lián) 接 的普通晶閘管的集成 。 ◆ 門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第Ｉ 和第 III象限有 對(duì)稱的伏安特性 。 ◆ 雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值 來(lái)表示其額定電流值。 圖 211 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 晶閘管的派生器件 a) K G A b) U O I I G = 0 ■ 逆導(dǎo)晶閘管（ Reverse Conducting Thyristor——RCT） ◆ 是將 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，不具有承受 反向電壓 的能力，一旦承受反向電壓即開(kāi)通。 ◆ 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)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。 圖 212 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 晶閘管的派生器件 A G K a) AK 光強(qiáng)度 強(qiáng) 弱 b) O U I A ■ 光控晶閘管（ Light Triggered Thyristor——LTT） ◆ 是利用一定波長(zhǎng)的 光照信號(hào) 觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 ◆ 由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的 絕緣 ，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在 高壓大功率的場(chǎng)合 。 圖 213 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 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 典型全控型器件 引言 ■ 門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)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。 電力 MOSFET IGBT單管及模塊 門極可關(guān)斷晶閘管 ■ 晶閘管的一種派生器件，但 可以通過(guò)在門極施加負(fù)的脈沖 電流使其關(guān)斷，因而屬于 全控 型器件 。 ■ GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 ◆ GTO的結(jié)構(gòu) ? 是 PNPN四層半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu) 。 ? 是一種多元的功率集成 器件，雖然外部同樣引出個(gè) 極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚 至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的 小 GTO 元 ，這些 GTO元的 陰極 和 門 極 則在器件內(nèi)部 并聯(lián) 在一起。 圖 214 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) 門極可關(guān)斷晶閘管 圖 28 晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 ◆ GTO的工作原理 ? 仍然可以用如圖 28所示的 雙晶體管模型 來(lái)分析， V V2的共基極電流增益分別是 ? ?2。 ?1+?2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于 1導(dǎo)通，小于 1則關(guān)斷。 ? GTO與普通晶閘管的不同 √設(shè)計(jì) ?2較大，使晶體管 V2控制 靈敏，易于 GTO關(guān)斷。 √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。 門極可關(guān)斷晶閘管 ? GTO的導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管是一樣的， 只不過(guò)導(dǎo)通時(shí) 飽和程度 較淺。 ? 而關(guān)斷時(shí)，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽 出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流 IA和 IK的 減小使 ?1+?21時(shí)，器件退出 飽和 而關(guān)斷。 ? GTO的 多元集成結(jié)構(gòu) 使得其比普通晶閘管 開(kāi)通過(guò)程 更快，承受 di/dt的能力增強(qiáng)。 門極可關(guān)斷晶閘管 ■ GTO的動(dòng)態(tài)特性 ◆ 開(kāi)通過(guò)程與普通晶閘管類似。 ◆ 關(guān)斷過(guò)程 ? 儲(chǔ)存時(shí)間 ts 下降時(shí)間 tf 尾部時(shí)間 tt ? 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， 前沿 越陡， ts就越短。使門極負(fù)脈沖的 后沿緩慢衰減，在 tt階段仍能保持適當(dāng)?shù)?負(fù)電壓 ，則可以縮短 尾部時(shí)間 。 圖 215 GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形 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 抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間 等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小時(shí)間 殘存載流子復(fù)合所需時(shí)間 門極可關(guān)斷晶閘管 ■ GTO的主要參數(shù) ◆ GTO的許多參數(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 ? 用來(lái)標(biāo)稱 GTO額定電流 。 ◆ 電流關(guān)斷增益 ?off ? 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流 IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值 IGM之比。 ? ?off一般很小，只有 5左右，這是 GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。 ◆ 開(kāi)通時(shí)間 ton ? 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)極電流值 的增大而 增大。 ◆ 關(guān)斷時(shí)間 toff ? 一般指 儲(chǔ)存 時(shí)間和 下降 時(shí)間之和，而不包括 尾部 時(shí)間。 ? 儲(chǔ)存時(shí)間隨 陽(yáng)極電流 的增大而增大，下降時(shí)間一般小于 2?s。 ■ 不少 GTO都制造成 逆導(dǎo)型 ，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需要承受反向電 壓時(shí)，應(yīng)和 電力二極管 串聯(lián)使用。 電力晶體管 ■ 電力晶體管（ Giant Transistor—— GTR） 按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、 大電流的 雙極結(jié)型晶體管（ Bipolar Junction Transistor—— BJT） ■ GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 ◆ 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一 樣的。 ◆ 最主要的特性是 耐壓高 、 電流大 、 開(kāi)關(guān) 特性好。 ◆ GTR的結(jié)構(gòu) ? 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)，并采用集 成電路工藝將許多這種單元 并聯(lián) 而成。 ? GTR是由 三層半導(dǎo)體 （分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成 的兩個(gè) PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用 NPN結(jié)構(gòu)。 電力晶體管 圖 216 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) +表示高摻雜濃度， 表示低摻雜濃度 電力晶體管 Iii c e obc ?? ?空穴流 電 子 流 c) E b E c i b i c = ? i b i e =(1+ ? ) i b 圖 216 c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng) iibc??? 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 ?稱為 GTR的 電流放大系數(shù) ，它反映了基極電流對(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 ? 單管 GTR的 ? 值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為 10左右，采用達(dá)林頓接法 可以有效地增大電流增益。 (29) (210) 電力晶體管 ■ GTR的基本特性 ◆ 靜態(tài)特性 ? 在 共發(fā)射極 接法時(shí)的典 型輸出特性分為 截止區(qū) 、 放 大區(qū) 和 飽和區(qū) 三個(gè)區(qū)域。 ? 在電力電子電路中， GTR工作在 開(kāi)關(guān)狀態(tài) ，即工 作在 截止區(qū) 或 飽和區(qū) 。 ? 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截 止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)， 一般要經(jīng)過(guò) 放大區(qū) 。 截止區(qū) 放大區(qū) O I c i b3 i b2 i b1 i b1 i b2 i b3 U ce 圖 217 共發(fā)射極接法時(shí) GTR的輸出特性 電力晶體管 ◆ 動(dòng)態(tài)特性 ? 開(kāi)通過(guò)程 √需要經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間 td和上升時(shí) 間 tr，二者之和為開(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，可以縮短 延遲時(shí)間 ， 同時(shí)也可以縮短 上升時(shí)間 ，從而 加快開(kāi)通過(guò)程。 ? 關(guān)斷過(guò)程 √需要經(jīng)過(guò)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。 √減小導(dǎo)通時(shí)的 飽和深度 以減 小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極 抽取負(fù)電流 Ib2的幅值和負(fù)偏壓， 可以縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān) 斷速度。 ? GTR的開(kāi)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 218 GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形 主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電產(chǎn)生的。