【正文】 等 功 率 范 圍 ）M O S F E T （ 開 關 電 源 、日 用 電 器 、 汽 車 電 子 等 ） 電力二極管 結(jié)構(gòu)和原理簡單工作可靠 現(xiàn)在仍大量應用于許多電氣設備 電力二極管 （半導體整流管） 20世紀 50年代初獲得應用 應用 快恢復二極管 肖特基二極管 斬波、逆變 高頻低壓儀表、 開關電源 PN結(jié)的工作原理 電力二極管在本質(zhì)上是一個 PN節(jié)，只是加上電極引線、管殼封裝。 AKAKa )IKAP NJb )c )圖 12 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣 圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號 PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕撼惺苷螂妷簩?，承受反向電壓截? PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài) PN結(jié)在正向電流很大時壓降仍然很低，維持在 1V左右，所以正向偏臵的 PN結(jié)表現(xiàn)為低阻狀態(tài) 。 PN結(jié)反向擊穿 施加 PN結(jié)反 向電壓過大 反向電流 急劇增大 破壞 PN結(jié)的反向截止狀態(tài) 電力二極管 PN結(jié)的工作原理 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性 電力二極管的主要參數(shù) 電力二極管的主要類型 AKAKa )IKAP NJb )c ) 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性 UII FU FU TO0I FtrrtfI RPU RPt0 t1t2d i /d tRd i /d tFU RttiFU FP2Vt fr0U F(a) (b ) (c)圖 14 電力二極管的伏安特性 電力二極管 靜態(tài)特性 伏安特性 正向電壓為零，電流為零。 正向電壓升高至 UTO，正向電流明顯增加。 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性 UII FU FU TO0I FtrrtfI RPU RPt0 t1t2d i /d tRd i /d tFU RttiFU FP2Vt fr0U F(a) (b ) (c)圖 14 電力二極管的伏安特性 電力二極管 靜態(tài)特性 伏安特性 只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。 零偏臵 正向 偏臵 反向 偏臵 過渡過程中，其電壓 — 電流關系隨時間而變化 電力二極管的動態(tài)狀態(tài) 反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關特性 電力二極管的關斷 在 tF時刻外加電壓突然反向。 td= t1t0—— 延遲時間 tf= t2t1—— 電流下降時間 trr=td+tf—— 反向恢復時間 普通： 5～幾十微秒 快速： 幾百納秒 肖特基：幾十納秒 a) IF td trr tf IRP t1 t2 UF UR t dtdiFtF t0 dtdiRURP 在關斷之前有較大的反向電流，伴隨明顯的反向電壓過沖。 影響二極管開關速度的主要因素是 反向恢復時間。 正向平均電流按照電流的發(fā)熱效應定義，使用時應按有效值相等的原則選取電力二極管的電流額定值，應留有一定的裕量。 電力二極管的主要參數(shù) 浪涌電流 最高工作結(jié)溫 反向恢復時間 反向重復峰值電壓 URRM 對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。2~3倍裕量。s以上 正向電流定額和 反向電壓定額很 高，分別可達數(shù) 千安和數(shù)千伏以上 快恢復二極管 恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短（ 5181。 肖特基二極管 導通壓降只有 ~ ，反向恢復時間短， 10～ 40ns。 晶閘管及其派生器件 晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理 晶閘管的基本特性及主要參數(shù) 晶閘管的派生器件 P1 N1 P2 N2 J1 J2 J3 A G K A K G 圖 16 晶閘管外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a)外形 b)結(jié)構(gòu) c)電氣圖形符號 a) c) b) A G K G K A 晶閘管屬于電流驅(qū)動、雙極型、半控型器件，可等效為可控的單向?qū)щ婇_關。 正向承受一定電壓，兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)：高阻抗的阻斷工作狀態(tài)和低阻抗的導通工作狀態(tài)。由式（ 11） ~式（ 14）得： )(1 21212aaIIIaI C B OC B OGA ????? (15) 晶體管的特性是： 在低發(fā)射極電流下 ? 是很小的，而當發(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。 2) 承受正向電壓時 ， 僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管開通 。 即使去除門極觸發(fā)信號 ， 仍然維持導通 。 維持電流 晶閘管及其派生器件 晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理 晶閘管的基本特性及主要參數(shù) 晶閘管的派生器件 晶閘管的基本特性及主要參數(shù) IG2IG1 IG 第 Ⅰ 象限是 正 向特性 第 Ⅲ 象限是 反 向特性 0UA KIAIHIG 2IG 1IG= 0UD BUD S MUD R MUR R MUR S MILUR B IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓UDB，則漏電流急劇增大，器件開通。 導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。 導通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值 IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。 0UA KIAIHIG 2IG 1IG= 0UD BUD S MUD R MUR R MUR S MILUR B 晶閘管上施加反向電壓時 ，伏安特性類似二極管的反向特性 。 當反向電壓超過一定限度 ，到反向擊穿電壓后 ， 外電路如無限制措施 ， 則反向漏電流急劇增加 ， 導致晶閘管反向擊穿 、 損壞 。 重復電壓是指晶閘管在開通和關斷的過渡過程中，可重復經(jīng)受的 最大瞬時電壓。 取正、反向重復峰值電壓中的較小者作為晶閘管的額定電壓。額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的 2～ 3倍。若通過晶閘管的電流為通態(tài)平均電流，則電壓 降為通態(tài)平均管壓降。 晶閘管的額定電流以工作波形的平均值定義。以正弦半波為例。 維持電流 IH 晶閘管維持導通所必需的最小電流。 掣住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持其導通所 必需的最小陽極電流。 IL是晶閘管的臨界開通電流，若陽極電流 IA未達到 IL時就去掉門 極信號，晶閘管將自動返回阻斷狀態(tài)。 動態(tài)特性：晶閘管在阻斷 、 導通這兩種狀態(tài)變換過程中所體現(xiàn)的特性 ， 包括開通特性和關斷特性 。 關斷特性：已導通的晶閘管在施加反向電壓時的關斷情況 。其延遲時間隨門極電流的增大而減小?；謴蛯Ψ聪螂妷旱淖钄嗄芰??；謴蛯φ螂妷旱淖钄嗄芰?。 過大，誤導通 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。 半控型器件， 如何關斷即換流？ 必須借助外部手段使其電流小于維持電流。 為滿足現(xiàn)場實際的需要，在晶閘管基礎之上研制成功門極可關斷晶閘管， GTO。 門極可關斷晶閘管 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 結(jié)構(gòu) N 1P1 P 2AKGN2N2N2AGK與晶閘管的相同點 PNPN四層半導體結(jié)構(gòu) 陽極 A、陰極 K、門極 G 不同點 多元功率集成器件 內(nèi)部包含數(shù)百個小 GTO元 GTO元陽極共有 GTO元陰極、門極在器件內(nèi)部并聯(lián) 陰極呈島狀結(jié)構(gòu)，周圍被門極所包圍，以減小門極和陰極之間的距離。 N 1P1 P 2AKGN2N2N2GTO導通過程與普通晶 閘管相同， 如何？ 只是 導通時飽和程度較淺、 臨界飽和狀態(tài)。當 IA和 IK的減 小使 ?1+?21時，退出飽 和而關斷。 關斷過程則與晶閘管有所不同，可用 3個不同的時間來表示，即存儲時間 ts、下降時間 tf及尾部時間 tt Ot0tiGiAIA9 0 % IA1 0 % IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6. GTO的動態(tài)特性 存儲時間 ts 從關斷過程開始到陽極電流下降到 90%IA為止的時間間隔。 Ot0tiGiAIA9 0 % IA1 0 % IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6. GTO的動態(tài)特性 下降時間 tf 陽極電流從 90%IA起到下降到 10%IA為止的時間間隔。 Ot0tiGiAIA9 0 % IA1 0 % IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6. GTO的動態(tài)特性 尾部時間 tt 陽極電流從 10%IA起減小到維持電流為止的時間間隔。 Ot0tiGiAIA9 0 % IA1 0 % IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6關斷時間 toff=ts+tf 數(shù)個微秒 . GTO的主要參數(shù) 最大可關斷陽極電流 IATO GTO額定電流。由門極可靠關斷為決定條件的最大陽極電流稱為最大可關斷陽極電流 電流關斷增益 ?off 最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值 IGM之比。 舉例 ? off ? ATO I GM ___________ I 電力晶體管 電力晶體管 耐高電壓、大電流的雙結(jié)晶體管 其基本原理是通過控制基極電流來控制集電極電流的通斷。 電力晶體管 ?P ?P?NP 基區(qū) N 漂移區(qū) ?N 襯底 集電極 c 基極 b 發(fā)射極 e 基極 b c b e ? 與普通的晶體管基本原理相同。 ? 單管、達林頓管、模塊。 功率場效應晶體管，是一種單極型電壓控制器件，通過柵極電壓來控制漏極電流。 功率場效應晶體管適用于開關電源、高頻感應加熱等高頻場合，但不適用于大功率裝臵。如在柵源極間加正電壓 UGS，柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。 特性、 參數(shù)與 MOSFET類似，不再展開討論。 絕緣柵雙極晶體管 IGBT 顯著優(yōu)點： 它將 MOSFET 和 GTR的優(yōu)點集于一身，耐壓高、電流大、工作頻率高、通態(tài)壓降低、驅(qū)動功率小、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬、熱穩(wěn)定性好 。 結(jié)構(gòu)和工作原理 EGCN+Na )PN+N+PN+N+P+發(fā) 射 極 柵 極集 電 極注 入 區(qū)緩 沖 區(qū)漂 移 區(qū)J3J2J1GEC+++IDRd rICUJ 1b )GCc )EUd rN溝道 MOSFET與雙極型晶體管復合而成 ；以 GTR為主導元件、 N溝道 MOSFET為驅(qū)動元件的達林頓結(jié)構(gòu)。 IGBT的開通與關斷由柵極電壓控制。在柵極施以負壓時， MOSFET內(nèi)導電溝道消失， PNP晶體管無基極電流， IGBT關斷。 0放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)ICUCEU TUGE