【正文】 又稱為VMOSFET（ Vertical MOSFET） 。 采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。 1） 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 84 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu) 是單極型晶體管。 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 。 83 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 電力 MOSFET的種類 按導(dǎo)電溝道可分為 P溝道 和 N溝道 。 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。 熱穩(wěn)定性優(yōu)于 GTR。 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 。 常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞 ， 或者工作特性明顯衰變 。 只要 Ic不超過限度 ， GTR一般不會(huì)損壞 ， 工作特性也不變 。 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 。 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) 。 實(shí)際使用時(shí) ， 最高工作電壓要比 BUceo低得多 。 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) 。 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 。 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 。 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。 在電力電子電路中 GTR工作在開關(guān)狀態(tài) 。 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 。 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 。 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)。 術(shù)語用法 ： 75 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。 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。 ——最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值 IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。1000A的 GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要 200A 。 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)。下降時(shí)間一般小于 2?s。延遲時(shí)間一般約1~2?s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。 門極負(fù)脈沖電流幅值越大 ， ts越短 。 下降時(shí)間 tf 尾部時(shí)間 tt —?dú)埓孑d流子復(fù)合 。 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) 。 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 。 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。 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 。 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分析 。 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) ， 外部引出陽極 、 陰極和門極 。 可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷 。 65 典型全控型器件 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 。 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 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。 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)。 不用平均值而用有效值來表示其額定電流值 。 有兩個(gè)主電極 T1和 T2，一個(gè)門極 G。 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) 。 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 。 3） 動(dòng)態(tài)參數(shù) 57 晶閘管的型號(hào) —KP型 K P □ － □ □ 表示閘流特性 普通反向阻斷型 額定通態(tài)平均電流 正反向重復(fù)峰值電壓等級(jí) 通態(tài)平均電壓組別 58 晶閘管的派生器件 有 快速晶閘管 和 高頻晶閘管 。 通態(tài)電流臨界上升率 di/dt —— 指在規(guī)定條件下 ， 晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率 。 df IIK ? 55 ? 非正弦波電流選擇晶閘管時(shí)需要進(jìn)行折算 .(根據(jù)有效值相等發(fā)熱相同的原理 ).即 : ? ? 考慮安全裕量 ,選擇晶閘管時(shí) ,其通態(tài)平均電流應(yīng)為 : ? dfT IKI ?dfTIKI ? ~dfAVTIKI ）（）（ ?56 晶閘管的主要參數(shù) 除開通時(shí)間 tgt和關(guān)斷時(shí)間 tq外 ， 還有： 斷態(tài)電壓臨界上升率 du/dt —— 指在額定結(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 。 timI3?? ?20 解 :電流平均值為 : 電流有效值 : 31 s in ( ) 0 .2 42d m mI I td t I?? ??????mm ItdtII )()s i n(2132 ?? ? ?? ???52 用電流有效值換算成正弦半波電流平均值 : ()231( si n ) ( ) 2( 2) ( 2) ( ) T AVmmmmI I t d t IIIII???????? ? ? ??如已知 Im:1000A 則代入得到 IT(AV) 53 例題 22: 在例題 21中 ,若取安全裕量為 1,問額定電流為 100A的晶閘管 ,其允許通過的電流平均值是多少 ?這時(shí) ,相應(yīng)的電流最大值是多少 ? ? (1)100A的晶閘管允許通過的電流有效值 ? (2)電流有效值為 : 7 10 0 15 7 A??mm1570 . 4 6 I 1 5 7 I 3 4 1 . 30 . 4 6AAA? ? ? ?54 Ⅲ .波形系數(shù) ? 波形系數(shù)：任何一含有直流分量的電流波形 ,都有一個(gè)電流平均值 (一個(gè)周期內(nèi)電流波形面積的平均值 ),也有一個(gè)電流的有效值 ,該電流有效值與電流平均值之比 ,則為該電流的波形系數(shù)。 () ( 1 .5 2 ) 1 .5 7T A VII ? ? ?50 二極管 /晶閘管電流定額的含義 如手冊(cè)上某電力二極管 /晶閘管的 額定電流為 100A，說明： ?允許通過平均值為 100A的正弦半波電流； ?允許通過正弦半波電流的幅值為 314A； ?允許通過任意波形的有效值為 157A的電流； ?在以上所有情況下其功耗發(fā)熱不超過允許值。 ? 如圖的正弦半波 ,是用來定義電力二極管和晶閘管額定電流的電流波形。 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 。 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。 —— 使用時(shí)應(yīng)按 有效值相等的原則 來選取晶閘管。 使用注意： 1） 電壓定額 44 額定電壓大小的確定 ? 分析計(jì)算 u 2U mu 2如圖，晶閘管承受的最大電壓為 22222UUUUUUmTnm???則：電源電壓有效值—22)3~2(:UU Tn ?若考慮安全裕量45 晶閘管的主要參數(shù) 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 。 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 。 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 。 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 。 正向 導(dǎo)通 雪崩 擊穿 O + U A U A I A I A I H I G2 I G1 I G = 0 U bo U DSM U DRM U RRM U RSM 1） 靜態(tài)特性 圖 28 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG 41 晶閘管的基本特性 反向特性類似二極管的反向特性 。 隨著門極電流幅值的增大 ，正向轉(zhuǎn)折電壓降低 。 晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下： 40 晶閘管的基本特性 （ 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)。 晶閘管一旦導(dǎo)通 ， 門極就失去控制作用 。 其他幾種可能導(dǎo)通的情況 ： 39 晶閘管的基本特性 承受反向電壓時(shí) ， 不論門極是否有觸發(fā)電流 ， 晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通 。 38 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng) 陽極電壓上升率 du/dt過高 結(jié)溫較高 光觸發(fā) 光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中 ， 稱為 光控晶閘管 （ Light Triggered Thyristor——LTT） 。 開通狀態(tài) ： 注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致 ?1+?2趨近于 1的話 ， 流過晶閘管 的電流 IA， 將趨近于無窮大 ， 實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通 。 阻斷狀態(tài) ： IG=0， ?1+?2很小 。 AAGGKKb) c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J333 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 常用 晶閘管的結(jié)構(gòu) 螺栓型晶閘管 晶閘管模塊 平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu) 34