【正文】 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 晶閘管的基本特性 晶閘管的主要參數(shù) 晶閘管的派生器件 第1章電力電子器件 26 半控器件 — 晶閘管 1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品 。 開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代 。 能承受的電壓和電流容量最高 ， 工作可靠 ， 在大容量的場合具有重要地位 。 有三個聯(lián)接端 。 平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間 。由以上式可得 ： 圖 17 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 按 晶體管的工作原理 ，得： 111 C B OAc III ?? ?222 C B OKc III ?? ?GAK III ??21 ccA III ??（ 12） （ 11） （ 13） （ 14） )(1 21C B O 2C B O 1G2A ???????? IIII （ 15） 第1章電力電子器件 30 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 在低發(fā)射極電流下 ? 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后， ? 迅速增大。 流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和 。 IA實際由外電路 決定 。 只有門極觸發(fā)是最精確 、 迅速而可靠的控制手段 。 承受正向電壓時 ， 僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通 。 要使晶閘管關(guān)斷 ， 只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。 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。 晶閘管本身的壓降很小 ，在 1V左右 。 反向阻斷狀態(tài)時 ， 只有極小的反相漏電流流過 。 圖 18 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG 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 （ 2） 反向特性 第1章電力電子器件 35 晶閘管的基本特性 1) 開通過程 延遲時間 td (~?s) 上升時間 tr (~3?s) 開通時間 tgt以上兩者之和 ， tgt=td+ tr （ 16） 100% 90% 10% u AK t t O 0 t d t r t rr t gr U RRM I RM i A 2) 關(guān)斷過程 反向阻斷恢復(fù)時間 trr 正向阻斷恢復(fù)時間 tgr 關(guān)斷時間 tq以上兩者之和tq=trr+tgr （ 17) 普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒 2） 動態(tài)特性 圖 19 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形 第1章電力電子器件 36 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 ， 允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓 。 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)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓 。 選用時 ， 一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓 2~3倍 。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。 維持電流 IH —— 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。 對同一晶閘管來說 ， 通常 IL約為 IH的 2~4倍 。 2） 電流定額 第1章電力電子器件 38 晶閘管的主要參數(shù) 除開通時間 tgt和關(guān)斷時間 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 。 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 。 3） 動態(tài)參數(shù) 第1章電力電子器件 39 晶閘管的派生器件 有 快速晶閘管 和 高頻晶閘管 。 普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒 ， 快速晶閘管數(shù)十微秒 ，高頻晶閘管 10?s左右 。 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) 。 有兩個主電極 T1和 T2，一個門極 G。 不用平均值而用有效值來表示其額定電流值 。 具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點。 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。 第1章電力電子器件 43 典型全控型器件 門極可關(guān)斷晶閘管 電力晶體管 電力場效應(yīng)晶體管 絕緣柵雙極晶體管 第1章電力電子器件 44 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)入了一個嶄新時代 。 第1章電力電子器件 45 典型全控型器件 可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷 。 DATASHEET 門極可關(guān)斷晶閘管 （ GateTurnOff Thyristor —GTO） 第1章電力電子器件 47 門極可關(guān)斷晶閘管 結(jié)構(gòu) ： 與普通晶閘管的 相同點 ： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) ， 外部引出陽極 、 陰極和門極 。 c)圖1 1 3AG K G GKN1P1N2N2 P2b)a)AGK圖 113 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 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 1） GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 第1章電力電子器件 48 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 。 由 P1N1P2和 N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管 V V2分別具有共基極電流增益 ?1和 ?2 。 導(dǎo)通時 ?1+?2更接近 1，導(dǎo)通時接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)圖 17 晶閘管的工作原理 第1章電力電子器件 50 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)通時飽和程度較淺 。 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) 。 下降時間 tf 尾部時間 tt —殘存載流子復(fù)合 。 門極負(fù)脈沖電流幅值越大 ， ts越短 。延遲時間一般約1~2?s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。下降時間一般小于 2?s。 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)。1000A的 GTO關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流峰值要 200A 。 ——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。 耐高電壓 、 大電流的雙極結(jié)型晶體管 （ Bipolar Junction Transistor——BJT） ， 英文有時候也稱為Power BJT。 術(shù)語用法 ： 第1章電力電子器件 55 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。 通常采用至少由兩個晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。 電力晶體管 1） GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 圖 115 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動 第1章電力電子器件 56 電力晶體管 在應(yīng)用中 ， GTR一般采用共發(fā)射極接法 。 當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流 Iceo時 ， ic和 ib的關(guān)系為 ic=? ib +Iceo （ 110） 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 。 在電力電子電路中 GTR工作在開關(guān)狀態(tài) 。 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 116 共發(fā)射極接法時 GTR的輸出特性 2） GTR的基本特性 第1章電力電子器件 58 電力晶體管 開通過程 延遲時間 td和上升時間 tr，二者之和為 開通時間 ton。 關(guān)斷過程 儲存時間 ts和下降時間 tf，二者之和為 關(guān)斷時間 toff 。 GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi) ， 比晶閘管和 GTO都短很多 。 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) 。 實際使用時 ， 最高工作電壓要比 BUceo低得多 。 實際使用時要留有裕量 ， 只能用到 IcM的一半或稍多一點 。 產(chǎn)品說明書中給 PcM時同時給出殼溫 TC， 間接表示了最高工作溫度 。 只要 Ic不超過限度 ， GTR一般不會損壞 ， 工作特性也不變 。 常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞 ， 或者工作特性明顯衰變 。 SOA O I c I cM P SB P cM U ce U ceM 圖 118 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) 第1章電力電子器件 62 電力場效應(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） 簡稱電力 MOSFET（ Power MOSFET） 結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（ Static Induction Transistor——SIT） 特點 ——用柵極電壓來控制漏極電流 驅(qū)動電路簡單 ， 需要的驅(qū)動功率小 。 熱穩(wěn)定性優(yōu)于 GTR。 電力場效應(yīng)晶體管 第1章電力電子器件 63 電力場效應(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 。 增強(qiáng)型 —— 對于 N（ P） 溝道器件 ， 柵極電壓大于（ 小于 ） 零時才存在導(dǎo)電溝道 。 DATASHEET 1） 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 第1章電力電子器件 64 電力場效應(yīng)晶體管 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu) 是單極型晶體管。 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。 電力 MOSFET 大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu) ， 又稱為VMOSFET（ Vertical MOSFET） 。 這里主要以 VDMOS器件為例進(jìn)行討論 。 – 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 。 N +GSDP 溝道b)N +N SGDP PN +N +N +溝道a)GSDN 溝道圖1 1 9圖 119 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 電力 MOSFET的工作原理 第1章電力電子器件 67 電力場效應(yīng)晶體管 (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 。 0 10 20 30 50 40 2 4 6 8 a) 10 20 30 50 40 0 b) 10 20 30 50 40 飽和區(qū) 非 飽 和 區(qū) 截止區(qū) I D / A U T U GS / V U DS / V U GS = U T =3V U GS =4V U GS =5V U GS =6V U GS =7V U GS =8V I D / A 圖 120 電力 MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性 2）電力 MOSFET的基本特性 第1章