晶闸管及单相可控整流电路

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电力电子技术实训,第,1,章 电力电子器件认识,指导老师：谢 祥,第,1,章 电力电子器件认识,1.1,晶 闸 管,(SCR),1.2,可关断晶闸管（,GTO,）,1.3,电力,大功率,晶体管,(,GTR),1.4,电力场效应晶体管（,MOSFET,）,1.5,绝缘栅双极型晶体管,(IGBT),1.6,其他新型电力器件,1.7,实训,1,晶闸管的简易测试及导通关断条件实验,1.8,实训,2,单相半控桥式整流电路的研究,第 1 节,晶 闸 管,晶闸管全称晶体闸流管，曾称可控硅,(,SiliconControlled,Rectifier),，简称,SCR,。,1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；,晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极；,晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中,，成为特大功率低频,(200 Hz,以下,),装置中的主要器件。,第,1,节 晶 闸 管,1.1.1,晶闸管的结构及工作原理,1.1.2,晶闸管的主要参数,1.1.3,晶闸管的型号及简单测试方法,第 1 节,晶 闸 管,1.1.1,晶闸管的结构及工作原理,1.1.1.1,晶闸管的结构及分类,根据晶闸管的外形：有,螺栓型封装,和,平板型封装,两种。其封装形式可分为小电流塑封式、小电流螺栓式、大电流螺栓式和大电流平板式,(,额定电流在,200A,以上,),，如图,1-1(a),、,(b),、,(c),所示。晶闸管有,3,个电极，分别是阳极,A,、阴极,K,和门极,(,或称控制极,)G,，它的图形及文字符号如图,1-1(d),所示。,第 1 节,晶 闸 管,晶闸管是大功率器件，工作时发热大，必须安装散热器。如图,1-2,所示为晶闸管散热器。,图,1-1,晶闸管的外形及符号,图,1-2,所示为晶闸管散热器,第 1 节,晶 闸 管,1.1.1.2,晶闸管的工作原理,我们通过如图,1-3,所示的电路来说明晶闸管的工作原理。在该电路中，由电源,U,AA,、白炽灯、晶闸管的阳极和阴极组成晶闸管主电路；由电源,U,GG,、开关,S,、晶闸管的门极和阴极组成控制电路，也称触发电路。,(1),如图,1-3(a),所示，晶闸管阳极经负载,(,白炽灯,),接电源,UAA,正极，阴极接电源负极，此时晶闸管承受正向电压。在触发电路中与控制极串联的开关,S,断开，灯不亮，说明晶闸管不导通。,第 1 节,晶 闸 管,图,1-3,晶闸管工作情况的实训,第 1 节,晶 闸 管,(2),如图,1-3(b),所示，晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，,S,闭合，但控制极相对于阴极加反向电压，这时灯不亮，说明晶闸管也不导通。,(3),如图,1-3(c),所示，晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，,S,闭合，此时控制极相对于阴极加正向电压，这时灯亮，说明晶闸管导通，这一过程称为触发导通。晶闸管导通后去掉控制极上的电压，如图,1-3(d),所示，即开关,S,断开，灯仍然亮，表明晶闸管继续导通。这说明晶闸管一旦导通，控制极就失去了控制作用。,第 1 节,晶 闸 管,(4),如图,1-3(e),所示，电路中灯原本是亮的，如果不断地减小阳极电流，当阳极电流小于某一数值之后，灯即灭，说明晶闸管重新关断，这一维持导通的最小电流称为维持电流,I,H,，此时晶闸管处于正向阻断状态。,(5),如图,1-3(f),所示，控制极与阴极之间加正向电压，阳极加反向电压，此时灯不亮，晶闸管不导通，处于反向阻断状态。,通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备如下两个条件：,(1),晶闸管主电路加正向电压。,(2),晶闸管控制电路加合适的正向电压。,第 1 节,晶 闸 管,普通晶闸管由,4,层半导体,(P1,、,N1,、,P2,、,N2),组成，形成,3,个结,J1(P1N1),、,J2(N1P2),、,J3(P2N2),。并分别从,P1,、,P2,、,N2,引出,A,、,G,、,K 3,个电极，它和二极管一样，是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极,G,，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。,由于采用扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成,(,如图,1-4,所示,),由两个晶体管,VT1(P1-N1-P2),和,VT2(N1-P2-N2),组成的等效电路。,当晶闸管阳极和阴极之间施加正向电压,U,A,时，若给门极,G,也加正向电压,U,G,，门极电流,I,G,经晶体管,VT2,放大后成为集电极电流,I,c2,，,I,c2,又是晶体管,VT1,的基极电流，放大后的集电极电流,I,c1,进一步使,I,G,增大且又作为,VT2,的基极电流流入。重复上述正反馈过程，两个晶体管,VT1,、,VT2,都快速进入饱和状态，使晶闸管阳极,A,与阴极,K,之间导通。,第 1 节,晶 闸 管,图,1-4,晶闸管的等效电路,第 1 节,晶 闸 管,此时若撤除,U,G,，,VT1,、,VT2,内部电流仍维持原来的方向，只要满足阳极正偏的条件，晶闸管就一直导通。就像二极管一样正向导通。由此可见，晶闸管与二极管一样具有单向导电特性，电流只能从阳极流向阴极。与二极管不同的是晶闸管具有正向阻断特性。,当晶闸管,A,、,K,间承受正向电压，而门极电流,I,G,=0,时，上述,VT1,和,VT2,之间的正反馈不能建立起来，晶闸管,A,、,K,之间只有很小的正向漏电流，它处于正向阻断状态。当加上正向电压时管子还不能导通，必须同时加上门极电压，有足够的门极电流流入后才能使晶闸管正向导通。因此，晶闸管具有正向导通的可控特性，这种门极电压对晶闸管正向导通所起的控制作用称为闸流特性，也称为晶闸管的可控单向导电性。门极电压只能触发晶闸管开通，不能控制它的关断，从这个意义上讲，晶闸管是半控型电力器件。,第 1 节,晶 闸 管,综上所述，我们可得出如下结论。,(1),在晶闸管阳极和阴极之间外加正向电压，但控制极不加触发电压时，晶闸管一般不会导通。,(2),晶闸管导通需要同时满足两个条件：,1),阳极和阴极外加正向电压；,2),控制极外加一定幅度的正触发电压。,(3),普通的晶闸管一旦导通，触发信号则失去控制作用，只要阳极、阴极间的正向电压存在，即使控制电压减小到零或反向，晶闸管仍导通。,(4),要使晶闸管从导通变为阻断，必须减小阳极电流或切断正向电压或加反向电压才可以。,第 1 节,晶 闸 管,1.1.2,晶闸管的主要参数,1.1.2.1,晶闸管的重复峰值电压,额定电压,U,Te,门极断开,(,I,G,=0),，元件处在额定结温时，正向阳极电压为正向阻断不重复峰值电压,U,DSM,(,此电压不可连续施加,),的,80%,所对应的电压，称为正向重复峰值电压,U,DRM,(,此电压可重复施加，其重复频率为,50 Hz,，每次持续时间不大于,10ms),。元件承受反向电压时，阳极电压为反向不重复峰值电压,U,RSM,的,80%,所对应的电压，称为反向重复峰值电压,U,RRM,。,由于晶闸管工作时，外加电压峰值瞬时超过反向不重复峰值电压即可造成永久损坏，且环境温度升高或散热不良均可能使晶闸管正、反向转折电压下降，特别是在使用中会出现各种过电压，因此，选用元件的额定电压值时，应比实际正常工作时的最大电压大,2,3,倍。,第 1 节,晶 闸 管,1.1.2.2,晶闸管的额定通态平均电流,额定电流,I,T(AV),在环境温度为,40,和规定的冷却条件下，晶闸管工作在电阻性负载且导通角不小于,170,的单相工频正弦半波电路中，当结温稳定且不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流，称为额定通态平均电流，用,I,T(AV),表示，简称为元件的额定电流。,实际应用中应按照流过晶闸管实际波形电流与工频正弦半波平均电流热效应相等,(,即有效值相等,),的原则来选取晶闸管的额定电流，然后根据管子的额定电流,(,通态平均值,),求出元件允许流过的最大有效电流。不论流过晶闸管的电流波形如何，只要流过元件的实际电流最大有效值小于或等于管子的额定有效值，且散热、冷却在规定的条件下，管芯的发热就能限制在允许范围内。,第 1 节,晶 闸 管,由于晶闸管的电流过载能力比一般电机、电器要小得多，因此，在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以,1.5,2,的安全系数，使其有一定的电流裕量。,1.1.2.3,门极触发电流,I,GT,和门极触发电压,U,GT,在室温下，晶闸管加,6V,正向阳极电压时，使元件完全导通所必需的最小门极电流称为门极触发电流,I,GT,。对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压,U,GT,。门极触发电流、电压的大小必须有一定的范围限制。元件所需的触发电流、电压太小，容易受干扰而造成误触发；元件所需的触发电流、电压太大又会造成触发困难，但即使同一工厂生产的同一型号的晶闸管，由于门极特性的差异，其触发电流、触发电压也相差很大，所以，对不同系列的元件只规定了触发电流、电压的上、下限值。例如,100 A,的晶闸管，其触发电流、电压分别不应超过,250 mA/4 V,，也不应小于,lmA/0.15 V,。,第 1 节,晶 闸 管,通常每一个晶闸管的铭牌上都标明了其触发电流和电压在常温下的实测值，但触发电流、触发电压电压受温度的影响很大。温度升高，,I,GT,和,U,GT,值会显著降低；温度降低，,I,GT,和,U,GT,值又会增大。为了保证晶闸管的可靠触发，在实际应用中，外加门极电压的幅值应比,U,GT,大几倍。,1.1.2.4,通态平均电压,U,T(AV),在规定环境温度、标准散热条件下，元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值称为通态平均电压,(,又称管压降,),。在实际使用中，从减小损耗和元件发热的角度出发，应选择,U,T(AV),小的晶闸管。,第 1 节,晶 闸 管,1.1.3,晶闸管的型号及简单测试方法,1.1.3.1,晶闸管的型号,如图,1-5,所示。如,KP5-7E,表示额定电流为,5 A,、额定电压为,700 V,的普通晶闸管。,图,1-5,晶闸管的型号,第 1 节,晶 闸 管,1.1.3.2,晶闸管的简单测试方法,对于晶闸管的,3,个电极，可以用万用表粗测其好坏。依据,PN,结单向导电原理，用万用表欧姆挡测试元件的,3,个电极之间的阻值，可初步判断管子是否完好。如用万用表,R,1k,挡测量阳极,A,和阴极,K,之间的正、反向电阻都很大，在几百千欧以上，且正、反向电阻相差很小；用,R,10,或,R,100,挡测量控制极,G,和阴极,K,之间的阻值，其正向电阻应小于或接近于反向电阻，这样的晶闸管是好的；如果阳极与阴极或阳极与控制极间有短路，阴极与控制极间为短路或断路，则晶闸管是坏的。,第 1 节,晶 闸 管,【,例,1-1】,某晶闸管接在,220V,交流回路中，通过器件的电流有效值为,100A,，应选择什么型号的晶闸管？,解 晶闸管额定电压,按晶闸管参数系列取,800V,，即,8,级。,晶闸管的额定电流,按晶闸管参数系列取,100A,，所以选取晶闸管型号,KP100-8E,。,第 1 节,晶 闸 管,【,例,1-2】,现有晶闸管型号为,KP50-7,，用于某电路中时，流过的电流波形如图,1-6,所示，试求,I,m,允许多大？,解,KP50-7,晶闸管允许流过的电流有效值为,实际流过该管的电流有效值可由下式计算求得,当考虑两倍的安全余量时，,I,m,的允许值为,图,1-6,流过晶闸管的电流波形,第 1 节,晶 闸 管,表,1-1 KP,型晶闸管元件主要额定值,单,位,参数,系列,通态平均电流,正向重复峰值电压、反向重复峰值电压,正向不重复平均电流、反向不重复平均电流,额定结温,门极触发电流,门极触发电压,断态电压临界上升率,通态电流临界上升率,浪涌电流,I,T(AV),U,DRM,U,RRM,I,DS(AV),I,RS(A),t,jM,I,GT,U,GT,d,u,/d,t,d,i,/d,t,I,TSM,A,V,mA,mA,V,V/,s,A/,s,A,序号,1,2,3,4,5,6,7,8,9,KP1,KP5,KP10,KP20,KP30,1,5,10,20,30,100,3000,100,3000,100,3000,100,3000,100,3000,1,1,1,1,2,100,100,100,100,100,3,30,5,70,5,100,5,100,8,150,2.5,3.5,3.5,3.5,3.5,25,1,000,25,500,20,90,190,380,560,第 1 节,晶 闸 管,表,1-1 KP,型晶闸管元件主要额定值,KP50,KP100,KP200,KP300,KP400,KP500,KP600,KP800,KP1000,50,100,200,300,400,500,600,800,1000,100,3000,100,3000,100,3000,100,3000,100,3000,100,3000,100,3000,100,3000,100,3000,2,4,4,8,8,8,9,9,10,100,115,115,115,115,115,115,115,115,8,150,10,250,10,250,20,300,20,300,20,300,30,350,30,350,40,400,3.5,4,4,5,5,5,5,5,5,25,1,000,25,500,20,90,190,380,560,940,1880,3770,5650,7540,9420,11160,14920,18600,第 1 节,晶 闸 管,表,1-2 KP,型晶闸管元件的其他特性参数,单,位,参数,系列,正向重复平均电流、反向重复平均电流,通态平均电压,维持电流,门极不触发电流,门极不触发电压,门极正向峰值电流,门极反向峰值电压,门极平均功率,门极峰值功率,门极控制开通时间,电路换向关断时间,I,DR(AV),U,T(AV),I,H,I,GD,U,GD,I,GFM,U,GRM,P,G(AV),P,GM,t,gt,t,g,mA,V,mA,mA,V,A,V,W,W,s,s,序号,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,KP1,KP5,KP10,KP20,KP30,1,1,1,1,2,实,测,值,实,测,值,0.4,0.4,1,1,1,0.3,0.3,0.25,0.25,0.15,_,_,_,_,_,5,5,5,5,5,0.5,0.5,1,1,_,_,_,_,典,型,值,典,型,值,第 1 节,晶 闸 管,表,1-2 KP,型晶闸管元件的其他特性参数,KP50,KP100,KP200,KP300,KP400,KP500,KP600,KP800,KP1000,2,4,4,8,8,9,9,9,1,时，两个等效晶体管处于过饱和状态而使,GTO,导通；当,+ 1,时，,GTO,不能维持饱和导通而被关断。,当门极电流,I,G,0,时，,GTO,的阴极电流,I,K,为,I,K,=,I,A,+,I,G,(4-2),把上式代入式,(4-1),，可得门极控制增益 为,(4-3),第,2,节,可关断晶闸管,表示了门极对,GTO,控制的灵敏程度。控制关断时，式,(4-3),中,I,G,1,后，即使撤去门极电流,I,G,，,GTO,也能维持导通。如图,4-3,所示的,L,点为,+ =1,的临界点，当,GTO,电流再增加时，饱和加深。图中阴影的宽度表示了饱和的深度。,第,2,节,可关断晶闸管,设,GTO,处于导通状态且阳极电流为,I,A,。这时如果给门极加负关断脉冲，则,P1N1P2,晶体管的集电极电流,I,c1,将被从门极抽出形成,-,I,G,，使,N1P2N2,晶体管基极电流,I,b2,减小，从而使,I,K,和,I,c2,减小。,I,c2,减小又使,I,A,减小，也使,I,c1,减小，这也是一个正反馈过程。当,I,A,和,I,K,的减小使,+ 1,时，等效晶体管,P1N1P2,和,N1P2N2,已退出饱和，,GTO,内部不再满足维持导通的条件，阳极电流就很快下降到零而关断。,第,2,节,可关断晶闸管,GTO,关断的工作原理：在,GTO,的关断过程中，开始从门极抽出电流时，,GTO,的阴极导通区由接近门极的边缘向阴极中心区收缩，在,P2,基区内就将有一个横向电流从阴极中心区流向门极。若,P2,基区电阻率很高，横向电阻较大，横向电流将产生较大的横向压降。显然，这个压降对抽出门极电流不利，影响,GTO,的关断。缩短门极和阴极间的距离是减小横向电阻的有效方法。普通晶闸管是一元结构，从,P2,基区边缘到中心门极距离很大，横向电阻也很大，这种结构决定了普通晶闸管不可能从门极抽出很大的电流而使其关断。,GTO,采用了多元集成结构，每个,GTO,元门极和阴极距离很短，有效地减小了横向电阻，为用门极控制关断提供了有利条件。,第 1 节,可关断晶闸管,GTO,的多元集成结构除了对关断有利外，也使得,GTO,比普通晶闸管开通过程加快，承受,d,i,/d,t,能力增强。因为在开通过程中电流总是先从门极附近开始，逐步扩大导通面积。每个,GTO,元的阴极面积很小，众多的,GTO,元同时进行着开通过程，阴极导通面积的扩展速度当然比一元结构的普通晶闸管快，承受,d,i,/d,t,能力也强。,GTO,的多元集成结构对制造工艺提出了极高的要求，它要求必须保持所有的,GTO,元特性一致。开通速度不一致时，首先开通的,GTO,元将因承担过大的电流而损坏，关断速度不一致时，最迟关断的,GTO,元也会因过电流而损坏。,第 1 节,可关断晶闸管,由于,GTO,的导通原理和普通晶闸管类似，因此分析,GTO,的工作原理主要就是分析其关断机理。从上述分析可以看出，理解,GTO,的关断机理主要可从两方面考虑：一是和普通晶闸管相比，,GTO,的,/,比较大，,N1P2N2,晶体管控制灵敏，而,+,较小，接近于,1,，使,GTO,导通时接近于临界饱和；二是,GTO,的多元集成结构使每个,GTO,元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，,P2,基区横向电阻很小,使得可以用门极负电流关断,GTO,。,第,2,节,可关断晶闸管,2.1.2 GTO,的主要参数,GTO,的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。这里只讨论一些意义不同的参数，以及有必要进一步说明的参数。,2.1.2.1,最大可关断阳极电流,I,ATO,该参数是标称,GTO,额定电流容量的参数。这一点和普通晶闸管不同，普通晶闸管是以一定波形下的电流平均值来作为额定电流的。实际上，,GTO,的电流限制有两个：一个是发热限制，即,GTO,的额定工作结温的限制；另一个是利用门极负电流脉冲可以关断的最大阳极电流的限制，这是由,GTO,的临界饱和导通条件所限制的。阳极电流过大，,GTO,便处于较深的饱和导通状态，会导致门极关断失败。通常都以最大可关断阳极电流,I,ATO,作为,GTO,的标称电流。,第,2,节,可关断晶闸管,值得注意的是：,GTO,的最大可关断阳极电流并不是一个固定不变的值，因条件变化而变化。如门极负电流脉冲波形、电流参数及工作条件等对它都会有一定的影响。,4.1.2.2,电流关断增益,off,从,GTO,的关断原理可以看出，,GTO,是用门极负电流脉冲来关断阳极电流的。一般总希望用较小的门极电流来关断较大的阳极电流。最大可关断阳极电流,I,ATO,和门极负电流最大值,I,GM(,绝对值,),之比被称为电流关断增益，即,(4-4),一般只有,5,左右。电流关断增益低是,GTO,的一个主要缺点。一个,1,000A,的,GTO,关断时门极负脉冲电流的幅值要,200A,才行，这是一个相当大的数值。,第,2,节,可关断晶闸管,2.1.2.3,擎住电流,GTO,经门极被触发刚从断态转入通态，撤除门极信号后,GTO,仍能维持导通所需要的最小阳极电流。其含义和普通晶闸管基本相同。所不同的是，,GTO,是多元集成结构，各,GTO,元的擎住电流值不可能完全相同。假设阳极电流的值使部分,GTO,元达到其擎住电流值，而其余部分,GTO,元未达到，如果这时就撤除门极信号，未达到其擎住电流值的,GTO,元就会恢复阻断，这种情况显然是不正常的。因此，,GTO,的擎住电流通常指所有,GTO,元都达到其擎住电流值时的阳极电流。,GTO,达到擎住电流时，,+ =1,，正好处于饱和导通的临界值。,第,2,节,可关断晶闸管,2.1.2.4,维持电流,因为,GTO,是多元集成结构，把阳极电流减小到开始出现某些,GTO,元不能再维持导通时的值称为整个,GTO,的维持电流。可以看出当阳极电流比维持电流略小时，只要有的,GTO,元还能继续维持导通，则从外部看，,GTO,就仍处于通态。,2.1.2.5,开通时间,t,on,开通时间指延迟时间,t,d,和上升时间,t,r,之和，即,t,on,=,t,d,+,t,r,(4-5),GTO,的延迟时间,t,d,约为,1,2,s,，上升时间,t,r,随通态阳极电流值的增大而增大。,第,2,节,可关断晶闸管,2.1.2.6,关断时间,t,off,关断时间一般指存储时间,t,s,和下降时间,t,f,之和，而不包括尾部时间,t,t,，即,t,off,=,t,s,+,t,f,(4-6),存储时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于,2,s,。,2.1.2.7,断态不重复峰值电压,U,RSM,其含义和普通晶闸管相同，但普通晶闸管在超过此电压转折值时不会立刻损坏，而,GTO,阳极电压超过该值时，可能只有其中个别的,GTO,元首先转折，全部阳极电流集中于该,GTO,元，造成局部电流密度过大而损坏。,另外，还需指出的是，不少,GTO,都制成逆导型，不能承受反向电压。当需要承受反向电压时，还应和二极管串联使用。,第,2,节,可关断晶闸管,2.1.3 GTO,的应用,采用,GTO,元件，由于其具有可关断的特性，主电路非常简单，又不需要换相电路，所以就不存在换相的问题。由于,GTO,的关断电流增益很差,(,一般为,4,或,5),，还因为关断损耗需要大功率的吸收电路，使,GTO,的工作频率局限于,1kHz,以内。,GTO,可用一个正脉冲电流导通和一个负脉冲电流关断。目前该元件的参数水平已达到,3,000A/6,000V,和,1,000A/9,000V,。,目前,GTO,除了用于电力机车牵引、交流电机驱动、,VVVF,逆变器,(,变压变频变换器,),和,CVCF,逆变器,(,恒压恒频变换器,),、,UPS(,不间断,),电源和感应加热装置之外，还广泛应用于,1,000kW,以下的大功率电压型逆变器和大功率自换相电流型逆变器中。,第,3,节 电力晶体管,3.2.1,电力晶体管的结构和工作原理,3.2.2,电力晶体管的主要参数,3.2.3,电力晶体管的二次击穿与安全工作区,第,3,节,电力晶体管,电力晶体管通常用,GTR,表示，,GTR,是,Giant Transistor,的缩写，英文意思为巨型晶体管，它又是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管,(Bipolar Junction Transistor,，,BJT),，所以英文名称有时候也称为,Power BJT,。在电力电子技术的范围内，,GTR,与,BJT,这两个名称是等效的。虽然从,20,世纪,80,年代以来，电力晶体管在数百千瓦以下的中、小功率低压电力电子装置中得到了广泛的应用，取代了晶闸管，但是随着绝缘栅双极晶体管和电力场效应晶体管的出现，电力晶体管又逐渐被后者所代,第 3 节 电力晶体管,3.2.1,电力晶体管的结构和工作原理,3.2.1.1,电力晶体管的结构,电力晶体管的结构和小功率晶体管非常类似。但是对,GTR,来说，最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好，而不像小功率的用于信息处理的双极结型晶体管那样注重单管电流放大系数、线性度、频率响应以及噪声和温漂等性能参数。因此，,GTR,通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，同,GTO,一样，采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。单管的,GTR,结构与普通的双极结型晶体管是相似的。电力晶体管是由三层硅半导体,(,分别引出集电极、基极和发射极,),、两个,PN,结,(,集电结和发射结,),构成的。它和小功率晶体管一样，也有,PNP,和,NPN,两种结构。因为在同样结构参数和物理参数的条件下，,NPN,晶体管比,PNP,晶体管性能优越得多，所以高压大功率电力晶体管多采用,NPN,结构，本节主要讨论这种结构的电力晶体管。,第 3 节 电力晶体管,如图,4-4(a),和图,4-4(b),所示分别是,NPN,型电力晶体管的内部结构图和电气图形符号。大多数情况下采用三重扩散法制作电力晶体管，或者是在集电区高掺杂的,N,+,硅衬底上用外延生长法生长一层,N,漂移层，然后在上面扩散,P,基区，接着扩散高掺杂的,N+,发射区。基极和发射极在一个平面上制成叉指式，以减少电流集中，提高器件的通流能力。注意，表示半导体类型的字母的右上角标,“,+,”,表示高掺杂浓度，,“,-,”,表示低掺杂浓度。,第 3 节 电力晶体管,3.2.1.2,电力晶体管的工作原理,晶体管电路有共发射极、共基极、共集电极,3,种接法。电力晶体管也有这,3,种接法，但一般采用共发射极接法。如图,4-5,所示，给出了共发射极接法时电力晶体管内部主要载流子流动情况示意图。图中，,1,为从基极注入的越过正向偏置发射结的空穴，,2,为与电子复合的空穴，,3,为因热骚动产生的载流子构成的集电结漏电流，,4,为越过集电结形成的集电极电流的电子，,5,为发射极电子流在基极中因复合而失去的电子。,第 3 节 电力晶体管,图,4-4,电力晶体管的结构及电气图形符号,图,4-5,电力晶体管内载流子的流动,第 3 节 电力晶体管,集电极电流,i,c,与基极电流,i,b,的比为,=,i,c,/,i,b,(4-7),称为电力晶体管的电流放大系数。 是一个很重要的参数，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。式,(4-7),未考虑集电极与发射极间漏电流,I,ceo,。当考虑,I,ceo,时，,i,c,和,i,b,的关系为,(4-8),一般,I,ceo,很小，可以忽略不计。但当温度升高时，,I,ceo,会按指数规律增大，高温时,I,ceo,就不能忽略了。,电力晶体管产品说明书中通常给出的是直流电流增益,h,FE,，它是在直流工作的情况下，集电极电流,I,c,与基极电流,I,b,之比。通常可以认为,h,FE,。,第 3 节 电力晶体管,值的大小随集电极电流,I,c,的不同而变化。集电极、发射极之间的电压,U,ce,和管壳温度,T,对值 也有影响。如图,4-6,所示给出了不同,U,ce,、,T,情况下 和,I,c,的关系曲线。可以看出 随,I,c,的增大而增大，但,I,c,过大时 反而减小；,T,升高时 增大，但,I,c,过大时，,T,升高反 而迅速减小；,U,ce,反极性时 很小。电力晶体管的 值比小功率晶体管小得多，通常为,10,左右。,在共发射极接法时，电力晶体管的典型输出特性如图,4-7,所示，可分为,3,个工作区。,第 3 节 电力晶体管,(1),截止区：在截止区内，,I,b,0,，,U,be,0,，,U,bc,0,，,U,be,0,，,U,bc,I,cs,/,，,U,be,0,，,U,bc,0,。,I,cs,是集电极饱和电流，其值由外电路所决定。两个,PN,结都为正向偏置，是饱和的特征。饱和时集电极和发射极间的管压降,U,ces,很小，因此电流很大时损耗也不大。晶体管刚进入饱和区时称为临界饱和，如果再增大,I,b,，则为过饱和。增大,I,b,，即增加饱和深度，可以降低,U,ces,，减少导通期间的损耗。,在电力电子电路中，电力晶体管工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区。但在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，都要经过放大区。,第 3 节 电力晶体管,图,4-6,不同,U,ce,、,T,时 与,I,c,的关系,图,4-7,共发射极接法的输出特性,第 3 节 电力晶体管,3.2.2,电力晶体管的主要参数,前面已经介绍了描述电力晶体管特性的一些参数，如电流放大系数、直流电流增益,h,FE,、集电极与发射极间漏电流,I,ceo,、集电极和发射极间的饱和压降,U,ces,、开通时间,t,on,和关断时间,t,off,等。这里主要讲述电力晶体管的极限运用参数，即最高工作电压、最大工作电流、最大耗散功率和最高结温等。,第 3 节 电力晶体管,3.2.2.1,最高工作电压,电力晶体管上所施加的电压超过规定值时，就会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还和外部电路的接法有关。,(1),BU,cbo,发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压。,(2),BU,ceo,基极开路时集电极和发射极之间的击穿电压。当集电极和发射极间加上电压,U,ce,后，使集电结处于反向偏置，发射结处于正向偏置，晶体管流过漏电流,I,ceo,。当,U,c,升高使集电结出现雪崩击穿时，集电极电流增大，使发射结正偏压增大，发射区注入基区电子增多，而这又促使集电极电流进一步增大。这种雪崩倍增和电流放大之间的相互影响，使,BU,ceo,要比,BU,cbo,小很多。,第 3 节 电力晶体管,(3),BU,cer,和,BU,ces,实际电路中电力晶体管的发射极和基极间常接有电阻,R,，这时用,BU,cer,表示集电极和发射极间的击穿电压。基极和发射极间接上电阻,R,后，当集电结反向电流流过基极时，,R,的分流作用使流过发射结的电流减小。因此，加到发射结的正向电压比基极开路时低，发射区向基区注入的电子减少，晶体管不易击穿。所以,BU,cer,比,BU,ceo,高。,R,越小，,BU,cer,越高。当,R,为,0,时，即发射极和基极短路时，其击穿电压用,BU,ces,表示。,(4),BU,cex,发射结反向偏置时，集电极和发射极间的击穿电压。发射结反向偏置时，发射区注入基区电子显著减少，击穿电压增高。,如图,4-8,所示为电力晶体管的击穿特征。可以看出，,BU,cbo,BU,cex,BU,ces,BU,cer,BU,ceo,。,第 3 节 电力晶体管,图,4-8,电力晶体管的击穿特性,第 3 节 电力晶体管,电路中的电力晶体管发生电压击穿后就不能正常工作，但晶体管并不一定损坏。只要进入击穿的时间很短，且不超过最大允许功率损耗，晶体管的特性还会恢复。实际使用电力晶体管时，为了确保安全，最高工作电压要比,BU,ceo,低得多。,第 3 节 电力晶体管,3.2.2.2,集电极最大允许电流,I,c,M,电力晶体管流过的电流过大时，会使晶体管电参数劣化，性能变得不稳定。尤其是发射极电流的集边效应可能导致晶体管损坏。因此，必须规定集电极最大允许电流。通常规定直流电流放大系数,h,FE,下降到规定值的,1/2,1/3,时，所对应的,I,c,为集电极最大允许电流,I,c,M,。实际使用时要留有较大的安全裕量，只能用到,I,c,M,的一半或再略多一点。,第 3 节 电力晶体管,3.2.2.3,集电极最大耗散功率,P,c,M,集电极最大耗散功率是电力晶体管容量的重要标志。晶体管功耗的大小主要由集电结工作电压和工作电流的乘积决定，它将转化为热能，使晶体管升温。如果热量不能及时散掉，晶体管就会因温度过高而烧坏。,电力晶体管在关断时集电结电压很高而集电极电流几乎为零；在导通时集电极电流很大而集电结电压很低。因此,P,c,M,并不是,BU,ceo,和,I,c,M,的乘积，而要比这个乘积小得多。实际使用时，集电极允许耗散功率与散热条件,(,热阻,),以及工作环境温度有关。,P,c,M,是在最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书中在给出,P,c,M,时总是同时给出管壳温度,T,c,，间接地结出了最高工作温度。,第 3 节 电力晶体管,3.2.2.4,最高工作结温,T,j,M,电力晶体管结温过高时，将导致热击穿而烧坏。,T,j,M,是晶体管能正常工作的最高允许结温。,3.2.3,电力晶体管的二次击穿与安全工作区,电力晶体管即使工作在允许的最高工作电压、集电极允许最大电流和最大耗散功率的范围内，仍有可能突然损坏，其原因主要是发生了二次击穿。二次击穿是影响电力晶体管安全使用和可靠性的重要因素。,第 3 节 电力晶体管,3.2.3.1,二次击穿,当集电极电压升高至前面所述的击穿电压时，集电极电流迅速增大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。出现一次击穿后，如果由于外接串联电阻的限制，流过晶体管的电流不太大，一般不会引起晶体管特性变坏。一次击穿出现后，如果继续增高外接电压，则,I,c,继续增大，当,I,c,增大到某个临界点时,(,如图,4-9,所示的,S,点,),，,U,ce,会突然降低到一个较小的值，然后,I,c,迅速增大，这种现象称为二次击穿。,第 3 节 电力晶体管,图,4-9,给出了,I,b,0,且其值不同时的二次击穿特性。把,I,b,在不同情况下的二次击穿临界点用虚线连接起来，就构成了二次击穿临界线，临界线上的点反映了二次击穿功率,P,SB,。,二次击穿的持续时间在纳秒至微秒的范围内，在这样短的时间内就能使晶体管内部出现明显的电流集中点并引起局部过热，使晶体管彻底损坏。二次击穿对电力晶体管危害极大且故障率高，必须高度重视。,第 3 节 电力晶体管,3.2.3.2,安全工作区,电力晶体管在工作时不能超过最高电压,U,ce,M,、集电极最大电流,I,c,M,和最大功耗,P,c,M,，也不能超过二次击穿临界线。这些限制条件就规定了电力晶体管的安全工作区,SOA(Safe Operating Area),，如图,4-10,所示的阴影区。最大功耗,P,c,M,是一条等功率线，二次击穿功率,P,SB,是一条不等功率线。在,U,ce,较低时，,P,c,M,P,SB,，以,P,SB,曲线为安全区边界。,图,4-10,表示的是直流电流工作时的安全区，在脉冲电流工作时，安全区变大，脉冲越窄，安全区越大。,第 3 节 电力晶体管,图,4-9,二次击穿特性,图,4-10,电力晶体管的安全工作区,第 3 节 电力晶体管,电力晶体管生产厂通常提供的是正偏安全区,FBSOA(Forward Bias Safe Operating Area),和反偏安全区,RBSOA(Reverse Bias Safe Operating Area),，它们分别指基极正向偏置和反向偏置时的安全工作区。如图,4-11,所示给出了,FBSOA,和,RBSOA,各一例。从图,4-11(a),可以看出在脉冲电流工作时安全工作区变大的情况。,第 3 节 电力晶体管,图,4-11,正偏安全区和反偏安全区,第,4,节 电力场效应晶体管,4.3.1,电力,MOSFET,的结构和工作原理,4.2.2,电力,MOSFET,的主要参数,4.3.3,MOSFET,的检测方法,第,4,节,电力场效应晶体管,小功率场效应晶体管有结型和绝缘栅型两种类型。电力场效应晶体管也有这两种类型，但通常主要指绝缘栅型中的,MOS,型，简称电力,MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),，而把结型电力场效应晶体管称作静电感应晶体管,(SIT),。本节主要讨论电力,MOSFET,。,第,4,节,电力场效应晶体管,电力场效应晶体管在导通时只有一种极性的载流子,(,多数载流子,),参与导电，是单极型晶体管。,电力场效应晶体管是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点是驱动电路简单，驱动功率小。其第二个显著特点是开关速度快，工作频率高，电力,MOSFET,的工作频率在所有电力电子器件中是最高的。另外，电力,MOSFET,的热稳定性优于双极型电力晶体管。但是电力,MOSFET,电流容量小，耐压低，只适用于小功率电力电子装置。,第 4 节 电力场效应晶体管,4.3.1,电力,MOSFET,的结构和工作原理,4.3.1.1,电力,MOSFET,的结构,MOSFET,的种类和结构很多。按导电沟道可分为,P,沟道和,N,沟道。当栅极电压为零时，漏、源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型；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的称为增强型。在电力,MOSFET,中，主要是,N,沟道增强型。,第 4 节 电力场效应晶体管,电力,MOSFET,和小功率,MOS,管导电机理相同，但在结构上有较大的区别。小功率,MOS,管是由一次扩散形成的器件，其栅极,G,、源极,S,和漏极,D,在芯片同一侧，导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件。要使其流过很大的电流，必须增大芯片面积和厚度，很难制成大功率管。电力,MOSFET,是由两次扩散形成的器件。一般,100V,以下的器件是横向导电的，称为横向双扩散,(Lateral double diffused),器件，简称,LDMOS,。而电压较高的器件制成垂直导电型的，称为垂直双扩散,(Vertical Double Diffused),器件，简称,VDMOS,。这种器件是把漏极移到另一个表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于加大电流密度和减小芯片面积。本节主要以,VDMOS,型器件为例进行讨论。,第 4 节 电力场效应晶体管,4.3.1.2,电力,MOSFET,的工作原理,电力,MOSFET,是多元集成结构，一个器件由许多个小,MOSFET,元组成。为有效利用器件面积，每个元常制成六边形、正方形或条形。如图,4-12(a),所示是,VDMOS,中一个单元的截面图，它是在电阻率很低的重掺杂,N+,衬底上生长一层漂移层,N,，该层的厚度和杂质浓度决定了器件的正向阻断能力。然后在漂移层上再生长一层很薄的栅极氧化物，在氧化物上沉积多晶硅栅极。在用光刻法除去一部分氧化物后，进行,P,区和,N,+,源区双区双扩散，并沉积源极电极。这样，就形成了,N,沟道增强型电力,MOSFET,，其电气图形符号如图,4-12 (b),所示。,第 4 节 电力场效应晶体管,当漏极接电源正端，源极接电源负端，栅极和源极间电压为零时，,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。如果在栅极和源极之间加一个正电压,U,GS,，由于栅极是绝缘的，所以并不会有栅极电流流过。但栅极的正电压却会将其下面,P,区中的空穴推开，而将,P,区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的,P,区表面。当,U,GS,大于某一电压值,U,T,时，栅极下,P,区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使,P,型半导体反型成,N,型半导体而成为反型层，该反型层形成,N,沟道而使,PN,结,J1,消失，漏极和源极导电。电压,U,T,称为开启电压,(,或阀值电压,),，,U,GS,超过,U,T,越多，导电能力越强，漏极电流,I,D,越大。,I,D,和,U,GS,的关系曲线反映了输入电压和输出电流的关系，称为,MOSFET,的转移特性，如图,4-13(a),所示。从图中可以看出，,I,D,较大时，,I,D,与,U,GS,的关系近似为线性，曲线的斜率被定义为,MOSFET,的跨导,G,fs,，即,第 4 节 电力场效应晶体管,G,fs=,d,I,D,/d,U,GS,(4-9),MOSFET,是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。,图,4-12,电力,MOSFET,的结构和电气图形符号,图,4-13 MOSFET,的转移特性和输出特性,第 4 节 电力场效应晶体管,如图,4-13(b),所示是,MOSFET,的漏极伏安特性，即输出特性。从图中可以看出，,MOSFET,有如下,3,个工作区。,(1),截止区：,U,GS,U,T,，,I,D,=0,。这和电力晶体管的截止区相对应。,(2),饱和区：,U,GS,U,T,，,U,DS,U,GS,-,U,T,。当,U,GS,不变时，,I,D,几乎不随,U,DS,的增加而增加，近似为一常数，故称饱和区。这里的饱和区并不对应于电力晶体管的饱和区，而对应于后者的放大区。当用作线性放大时，,MOSFET,工作在该区。,(3),非饱和区：,U,GS,U,T,，,U,DS,U,GS,-,U,T,。漏源电压,U,DS,和漏极电流,I,D,之比近似为常数。该区对应于电力晶体管的饱和区。当,MOSFET,作开关应用而导通时即工作在该区。,第 4 节 电力场效应晶体管,在制造电力,MOSFET,时，为提高跨导并减小导通电阻，在保证所需耐压的条件下，应尽量减小沟道长度。因此，每个,MOSFET,元都要做得很小，每个元能通过的电流也很小。为了能使器件通过较大的电流，每个器件由许多个,MOSFET,元组成。,MOSFET,无反向阻断能力，在漏、源极加反向电压时器件导通，可看作逆导器件。,MOSFET,的通态电阻具有正温度系数，这一点对器件并联时的均流有利。,第 4 节 电力场效应晶体管,4.3.2,电力,MOSFET,的主要参数,前面已经对,MOSFET,的一些重要参数作了说明，如跨导,G,fs,、开启电压,U,T,以及开关过程中的各时间参数,t,d(on),、,t,r,、,t,d(off),、,t,f,等。这里再介绍一些其他的主要参数。,4.3.2.1,漏极电压,U,DS,该参数是标称,MOSFET,额定耐压的参数。,4.3.2.