电子信息与电气工程系

电子信息与电气工程系内容摘要：

G2A    IIII 14 晶闸管的基本特性 正向导通雪崩击穿O + UAUA IAIAIHIG2IG1IG= 0UboUDSMUD R MURRMUR S M （ 1）正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。 正向电压超过正向转折电压 Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。 晶闸管本身的压降很小，在 1V左右。 反向特性类似二极管的反向特性。 反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过。 当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。 1) 开通过程 延迟时间 td (~s) 上升时间 tr (~3s) 开通时间 tgt以上两者之和 ， tgt=td+ tr （ 16） 晶闸管的主要参数 断态重复峰值电压 UDRM ——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。 反向重复峰值电压 URRM ——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。 通态（峰值）电压 UT ——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。 通常取晶闸管的 UDRM和 URRM中较小的标值作为该器件的 额定电压。 选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电 压 2~3 倍。 取整 100V 一个等级 15 通态平均电流 IT(AV） 在环境温度为 40C 和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的 最大工频正弦半波电流的平均值。 标称其额定电流的参数。 使用时应按 有效值相等的原则 来选取晶闸管。 – 维持电流 IH ： 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。 擎住电流 IL :晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流。 对同一晶闸管来说，通常 IL约为 IH的 2~4倍。 浪涌电流 ITSM: 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。 通态平均电流 IT(AV) 使用时应按实际电流与通态平均电流所造成的发热效应相等 ，即 有效值相等的原则来选取晶闸管。 应留一定的裕量，一般取 ~2倍。 例： 整流输出：平均电流 选择器件：有效电流 波形系数（额定情况下） 波形系数： 某电流波形的有效值与平均值之比。 实际电流（电流波形不一定为正弦半波）的平均电流的确定 : 即： 有效值相等的原则 例：通过一只晶闸管的实际电流额定有效值为 157A,则额定电流。 （考虑 ~全裕量） 0mIi wtdI 2  mmAVT Iw t d w tII   s in21 0)(2)()s in(21 0 2 mmTn IwtdwtII  )(  AVT Tnf I IK。 值的晶闸管，其额定有效例：一只额定电流为 AIKIAI AVTfTnAVT 157100 )()( TnAVTdf IIIKI  )(df IIK :即AII TAVT)200~150( 157)~()~((） 16 晶闸管的型号 Ｐ — 普通 , Ｋ — 快速型，Ｓ — 双向型，Ｎ — 逆导型，Ｇ — 可关断型 K P [电流 ]─ [电压 /100] [ ] 如： KP10012G 表示：额定电流为 100A,额定电压为 1200V，管压降（通态平均电压）为 1V的普通晶闸管。 结 论 晶闸管导通的条件： （ 1）承受正向阳极电压； （ 2）门极有触发电流； 关断条件：（ 1）加反向阳极电压； 晶闸管的派生器件 有 快速晶闸管 和 高频晶闸管。 开关时间以及 du/dt和 di/dt耐量都有明显改善。 普通晶闸管关断时 间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管 10s左右。 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。 由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。 2）双向晶闸管（ Triode AC Switch—— TRIAC 或 Bidirectional triode thyristor） a) b)IO UIG= 0GT1T2 可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。 有两个主电极 T1 和 T2，一个门极 G。 在第Ｉ和第 III 象限有对称的伏安特性。 不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。 HA II )3(RUIIHA使)2( 17 3）逆导晶闸管（ Reverse Conducting Thyristor—— RCT） 将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。 具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。 4） 光控晶闸管（ Light Triggered Thyristor—— LTT） 又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。 光触发 保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。 因此目前在高压大功率的场合。 作业、讨论题、思考题： 作业： P42 的作业与思考题 4； 课后小结： （在下次课开始的 10 分钟内进行） 本次课要点内容的回顾； 晶闸管 的 额 定电流如何计算。 晶闸管的主要参数 有哪些。 与普通 晶闸管 相比较，对 GTO 的 结构 、 工作原理 进行比较分析。 b) U O I I G = 0 K G A 18 教学内容： 上次课主要内容小结。 典型全控型器件 门极可关断晶闸管 ——在晶闸管问世后不久出现。 20世纪 80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。 典型代表 ——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。 门极可关断晶闸管 •晶闸管的一种派生器件。 •可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 •GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场 合仍有较多的应用。 结构： 与普通晶闸管的 相同点 ： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的不同点： GTO是一种多元的功率集成器件。 工作原理： •与普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析。 授课时间 第 4 次课，第 2 周星期 三 第 4 节 课时 2 授课方式 理论课 √ 讨论课□ 习题课□ 实验课□ 上机课□ 技能课□ 其他□ 授课题目 典型全控型器件 其他新型电力电子器件 目的与要求 （ 1） 熟悉 可关断晶闸管（ GTO）的结构和工作原理 ，了解有关特性和参数。 （ 2）熟悉 电力晶体管（ GTR） 、 功率场效应晶体管（ PMOSFET）的结构和工作原理； （ 3） 了解 GTR、 PMOSFET 的伏安特性和主要参数； 重点与难点 重点：熟悉 GTR、 PMOSFET 的结构 ，在此基础上 掌握 它们 工作原理；绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）的结构和工作原理； 难点：上述各种器件的导通和关断过程分析。 手段及方法 用多媒体展 示 全控型器件 的结构 进行工作原理的讲解分析 ， 简要说明介绍其特性 和主要参数。 19 GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下 区别 ： •GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。 •GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。 •多元集成结构还使 GTO比普通晶闸管开通过程快，承受 di/dt能力强。 开通过程： 与普通晶闸管相同 关断过程： 与普通晶闸管有所不同 •储存时间 ts，使等效晶体管退出饱和。 •下降时间 tf •尾部时间 tt —残存载流子复合。 •通常 tf比 ts小得多，而 tt比 ts要长。 •门极负脉冲电流幅值越大， ts越短。 电力晶体管 •电力晶体管（ Giant Transistor——GTR，直译为巨型晶体管）。 •耐高电压、大电流的双极结型晶体管（ Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有时候也称为 Power BJT。 应用： 20 世纪 80 年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但 目前又大多被 IGBT和电力 MOSFET 取代。 GTR 的结构和工作原理 在应用中， GTR一般采用共发射极接法。 (1) 静态特性 共发射极接法时的典型输出特性： 截止区 、 放大区 和 饱和区。 在电力电子电路中 GTR工作在开关状态。 在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。 截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1 ib2 ib3Uce截止区放大区饱和区 开通过程 ： 延迟时间 td 和上升时间 tr，二者之和为开通时间 ton。 关断过程 ： 储存时间 ts和下降时间 tf，二者之和为关断时间 toff。 20 •GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和 GTO都短很多。 1） 最高工作 电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿。 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。 BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo。 实际使用时，最高工作电压要比 BUceo低得多。 通常规定为 hFE下降到规定值的 1/2~1/3时所对应的 Ic。 实际使用时要留有裕量，只能用到 IcM的一半或稍多一点。 2） 集电极最大耗散功率 PcM 最高工作温度下允许的耗散功率。 产品说明书中给 PcM时同时给出壳温 TC，间接表示了最高工作温度。 一次击穿： 集电极电压升高至击穿电压时， Ic迅速增大。 •只要 Ic不超过限度， GTR一般不会损坏，工作特性也不变。  二次击穿： 一次击穿发生时， Ic突然急剧上升，电压陡然下降。 •常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。 电力场效应晶体管 分为 结型 和 绝缘栅型 通常主要指 绝缘栅型 中的 MOS型 （ Metal Oxide Semiconductor FET） 简称电力 MOSFET（ Power MOSFET） 结 型 电 力 场 效 应 晶 体 管 一 般 称 作 静 电 感 应 晶 体 管 （ Static Induction Transistor——SIT） 电力 MOSFET的种类 • 按导电沟道可分为 P沟道 和 N沟道。 • 耗尽型 ——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。 • 增强型 ——对于 N（ P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。 • 电力 MOSFET主要是 N沟道增强型。 电力 MOSFET的结构 •小功率 MOS管是横向导电器件。 •电力 MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为 VMOSFET（ Vertical MOSFET）。 •按垂直导电结构的差异，分为利用 V型槽实现垂直导电的 VVMOSFET和具有垂直导电双扩散 MOS结构的 VDMOSFET（ Vertical Doublediffused MOSFET）。 •这里主要以 VDMOS器件为例进行讨论。 21 截止： 漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。 –P基区与 N漂移区之间形成的 PN结 J1反偏，漏源极之间无电流流过。 导电： 在栅源极间加正电压 UGS –当 UGS大于 UT时， P型半导体反型成 N型而成为 反型层 ，该反型层形成 N沟道而使 PN结 J1消失，漏极和源极导电。 （ 1） 静态特性 漏极电流 ID和栅源间电压 UGS的关系称为 MOSFET的 转移特性。 ID较大时， ID与 UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为 跨导 Gfs。 010203050402 4 6 8a)10203050400b)10 20 30 5040饱和区非饱和区截止区I D/AUTUGS/ VUDS/ VUGS= UT= 3VUGS= 4VUGS= 5V。