晶闸管和场效应管

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,*,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,*,7.1,晶闸管,7.2,场效应管,第七章 晶闸管与场效应管,晶闸管、场效应管与三级管相似，都有三个电极。,晶闸管主要当做可控电子开关使用。,场效应管主要用来放大信号电压，而三极管主要是放大信号电流,7.1,晶闸管,晶闸管又称可控硅，是一个,P1N1P2N2,四层，具有,3,个,PN,结，并引出,3,个电极的半导体开关器件。它的三个电极，分别是阳极（,A,）、阴极（,K,）和门极（,G,）。,7.1,晶闸管,晶闸管又称可控硅，是一个,P1N1P2N2,四层，具有,3,个,PN,结，并引出,3,个电极的半导体开关器件。它的三个电极，分别是阳极（,A,）、阴极（,K,）和门极（,G,）。,内部结构：,7.1,晶闸管,一、晶闸管性质,1,、导通晶闸管：,无论,A,、,K,极之间加什么电压，只要,G,、,K,极之间没有加正向电压，晶闸管就无法导通。,只有,A,、,K,极之间加正向电压，并且,G,、,K,极之间也加一定的正向电压，晶闸管才能导通。,给晶闸管,G,极提供电压，让,I,G,电流流入,G,极，晶闸管,A,、,K,极之间马上导通，这种现象称为晶闸管的触发导通。,晶闸管导通后，撤掉,G,、,K,极之间的正向电压后晶闸管仍继续导通。,2,、关闭晶闸管：,让流入晶闸管,A,极的电流减小到某一值,I,H,（维持电流）,让,A,、,K,极之间的正向电压,U,AK,减小到,0,或加反向电压,实验演示,P,1,N,1,P,2,N,1,P,2,N,2,I,c1,I,b2,I,c2,I,b1,I,G,I,A,I,K,加上,IgIb2 Ic2 Ib1,Ic1,7.1,晶闸管,二、晶闸管主要参数,7.1,晶闸管,三、晶闸管的检测,包括极性检测、好坏检测、触发能力检测,1,、极性检测,7.1,晶闸管,三、晶闸管的检测,包括极性检测、好坏检测、触发能力检测,2,、好坏检测,7.1,晶闸管,三、晶闸管的检测,包括极性检测、好坏检测、触发能力检测,3,、触发能力检测,7.1,晶闸管,四、晶闸管的种类,7.1,晶闸管,四、晶闸管的种类,1,、双向晶闸管,双向晶闸管是由,N-P-N-P-N,五层半导体材料制成的，对外也引出三个电极，其结构如图所示。双向晶闸管相当于两个单向晶闸管的反向并联，但只有一个控制极。,双向晶闸管与单向晶闸管一样，也具有触发控制特性。不过，它的触发控制特性与单向晶闸管有很大的不同，这就是无论在阳极和阴极间接入何种极性的电压，只要在它的控制极上加上一个触发脉冲，也不管这个脉冲是什么极性的,都可以使双向晶闸管导通。,由于双向晶闸管在阳、阴极间接任何极性的工作电压都可以实现触发控制，因此双向晶闸管的主电极也就没有阳极、阴极之分，通常把这两个主电极称为,T1,电极和,T2,电极，将接在,P,型半导体材料上的主电极称为,T1,电极，将接在,N,型半导体材料上的电极称为,T2,电极。,由于双向晶闸管的两个主电极没有正负之分，所以它的参数中也就没有正向峰值电压与反向峰值电压之分，而只用一个最大峰值电压，双向晶闸管的其他参数则和单向晶闸管相同。,由于双向晶闸管正、反特性具有对称性，所以它可在任何一个方向导通，是一种理想的交流开关器件。,7.1,晶闸管,双向晶闸管的检测方法,判定,T1,极,由图可见，,G,极与,T2,极靠近，距,T1,极较远。因此，,GT2,之间的正、反向电阻都很小。在用,RXlK,档测任意两脚之间的电阻时，只有在,G-T2,之间呈现低阻，正、反向电阻仅几十欧，而,T1-G,、,T2-T1,之间的正、反向电阻均为无穷大。这表明，如果测出某脚和其他两脚都不通，就肯定是,T1,极。另外，采用,TO220,封装的双向晶闸管，,T1,极通常与小散热板连通，据此亦可确定,T1,极。,7.1,晶闸管,双向晶闸管的检测方法,区分,G,极和,T2,极,(1),找出,T1,极之后，首先假定剩下两脚中某一脚为,T2,极，另一脚为,G,极。,(2),把黑表笔接,T2,极，红表笔接,T1,极，电阻为无穷大。接着用红表笔尖把,T1,与,G,短路，给,G,极加上负触发信号，电阻值应为十欧左右，证明管子已经导通，导通方向为,T2,一,T1,。再将红表笔尖与,G,极脱开,(,但仍接,T1),，若电阻值保持不变，证明管子在触发之后能维持导通状态。,(3),把红表笔接,T2,极，黑表笔接,T1,极，然后使,T1,与,G,短路，给,G,极加上正触发信号，电阻值仍为十欧左右，与,G,极脱开后若阻值不变，则说明管子经触发后，在,T1,一,T2,方向上也能维持导通状态，因此具有双向触发性质。由此证明上述假定正确。否则是假定与实际不符，需再作出假定，重复以上测量。显见， 在识别,G,、,T2,的过程中，也就检查了双向晶闸管的触发能力。如果按哪种假定去测量，都不能使双向晶闸管触发导通，证明管于巳损坏。对于,lA,的管子，亦可用,RXl0,档检测，对于,3A,及,3A,以上的管子，应选,RXlK,档，否则难以维持导通状态。,7.1,晶闸管,四、晶闸管的种类,2,、门极可关断晶闸管,门极可关断晶闸管（,Gate-Turn-Off Thyristor GTO,）是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，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小,GTO,元，这些,GTO,元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。,GTO,的内部结构和电气图形符号,工作原理：,与普通晶闸管一样，可以用下图所示的双晶体管模型来分析。,晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,由,P1N1P2,和,N1P2N2,构成的两个晶体管,VT1,、,VT2,分别具有共基极电流增益,1,和,2,。,1+,2=1,是器件临界导通的条件。当,1+,21,时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当,1+,21,时，不能维持饱和导通而关断。,（,1,）设计,2,较大，使晶体管,VT,2,控制灵敏，易于,GTO,关断。,（,2,）导通时,1,+,2,更接近,1,（,1.05,，普通晶闸管,1,+,2,1.15,）,导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。,（,3,）多元集成结构使,GTO,元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得,P,2,基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。,晶闸管的工作原理,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,的驱动电路,门极可关断晶闸管（,GTO,）的导通过程与普通晶闸管相似，可以用正门极电流开通。但在关断过程中，,GTO,可以采用负的门极电流关断，这一点与普通晶闸管完全不同。,影响关断的因素很多，例如阳极电流越大越难关断，电感负载较电阻负载难以关断，工作频率越高、结温越高越难以关断。 所以欲使,GTO,关断，往往需要具有特殊的门极关断功能的门极驱动电路。,GTO,的驱动电路,GTO,的门极驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分,门极驱动电路结构示意图及理想的门极驱动电流波形,1. GTO,对门极驱动电路的基本要求,GTO,的驱动电路,门极开通,GTO,触发导通要求触发脉冲信号具有前沿陡、幅度高、宽度大、后沿缓的脉冲波形；,上升沿陡峭的门极电流脉冲有利于,GTO,的快速导通，且可保证使所有的,GTO,元件几乎同时导通，且使电流分布趋于均匀，通常要求脉冲前沿为,=5,10,；,脉冲幅度高可实现强触发，有利于缩短开通时间，减少开通损耗，为此一般要求脉冲幅度为额定直流触发电流的,4,10,倍；,脉冲有足够的宽度可以保证阳极电流可靠建立，一般取脉宽为,10,60,；,脉冲后沿尽量平缓可以防止产生振荡，在开通脉冲的尾部出现负的门极电流，不利于门极开通。,GTO,的驱动电路,2,） 门极关断,已导通的,GTO,靠门极反向电流来关断，它是,GTO,应用中的关键问题；,对门极关断脉冲波形的要求是前沿陡、幅度高、宽度足够、后沿平缓。前沿陡，可以缩短关断时间，减少关断损耗。但前沿不宜过陡，否则会使关断增益降低，阳极尾部电流增加，对,GTO,产生不利影响，一般使脉冲电流的上升率为,=,5,10,；,为了保证,GTO,的可靠关断，关断负电压脉冲宽度应不小于,40,s,。关断电压脉冲的后沿应尽量平缓，如果坡度太陡，由于结电容效应会产生一个门极正电流（尽管门极电压是负的），使,GTO,有开通的可能，不利于关断。,GTO,的驱动电路,与普通晶闸管相比，,GTO,由于结构原因使得其承受电压上升率的能力较差，例如阳极电压上升率较高时可能会引起误触发。,可以设置一个门极反偏电路，在,GTO,正向阻断期间于门极上施加反偏电压，从而提高承受的能力。,但反偏电压的幅度必须小于门极反向雪崩电压，持续时间可以是几十微秒和整个阻断状态所处的时间，这样有利于,GTO,的安全运行。,3,）门极反偏,GTO,的驱动电路,门极驱动电路实例,1,2.,门极驱动电路实例,1,右图是一种小容量的,GTO,门极驱动电路。,当,时，由晶体管,VT,1,、,VT,2,组成,的极性为左,(,),右,(,),；当,VT,3,、,VT,4,饱和导通，电容通过电阻,R,4,、,VD,1,和,VT,4,放电，形成反向门极,的复合管导通，对电容充电，形成,正向门极电流，触发,GTO,导通，电容,时，,电流，使,GTO,关断。,7.1,晶闸管,五、晶闸管型号的命名方法,第一部分用字母“,K”,表示主称为晶闸管,第二部分用字母表示晶闸管的类别,第三部分用数字表示晶闸管的额定通态电流值,第四部分用数字表示重复峰值电压级数,7.2,场效应管,场效应晶体管（,Field Effect Transistor,缩写,(FET),）简称场效应管。由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。,特点,:,具有输入电阻高（,108,109,）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。,作用：,场效应管可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。,场效应管可以用作电子开关。,场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。,场效应管可以用作可变电阻。,场效应管可以方便地用作恒流源。,7.2,场效应管,场效应管与三极管一样，具有放大能力。场效应管有漏极（,D,）、栅极（,G,）和源极（,S,）。,实验演示,7.2,场效应管,一、结构与工作原理,1,、结构,场效应管由,P,型半导体和,N,型半导体组成。,7.2,场效应管,一、结构与工作原理,2,、工作原理,：,场效应管在电路中主要用作放大信号电压。,当在,D,、,S,之间加上正向电压,U,DS,，会有电流从,D,极流向,S,极,若在,G,、,S,极之间加上反向电压,U,GS,（,P,型半导体接低电位，,N,型半导体接高电位），场效应管内部的两个耗尽层变厚，沟道变窄，由,D,极流向,S,极的电流,ID,就会变小，反向电压越高，沟道越窄，,I,D,电流越小。,若在,G,、,S,极之间加上正向电压,U,GS,（,P,型半导体接高电位，,N,型半导体接低电位），场效应管内部的两个耗尽层导通，耗尽层消失，不管如何增大,G,、,S,极的电压，沟道宽度都不变，,I,D,电流也不变，即无法控制,I,D,电流。,7.2,场效应管,2,、工作原理,改变,G,、,S,极之间的电压,U,GS,，就能改变从,D,极流向,S,极的电流,I,D,的大小，并且,I,D,电流变化较,U,GS,电压变化大得多，这就是场效应管的放大原理。,场效应管的放大能力大小用跨导,gm,表示，即,gm,反映了栅源电压,UGS,对漏极电流,ID,的控制能力，是表征场效应管放大能力的一个重要的参数（相当于三级管的,），,gm,的单位是西门子（,S,），也可以用,A/V,表示。,在正常工作时，,N,沟道结型场效应管,G,、,S,极之间应加反向电压，即,U,G,U,S,。,7.2,场效应管,二、主要参数,7.2,场效应管,三、检测,场效应管的检测包括类型检测及极性检测，放大能力检测和好坏检测。,1,、类型与电极的检测,结型场效应管的源极和漏极在制作工艺上是对称的，两极可互换使用，所以一般不判别漏极和源极（漏源之间的正反向电阻相等，均为几十至几千欧姆左右），只判断栅极和沟道的类型。,与,D,、,S,极连接的半导体类型总是相同的，,D,、,S,极之间的正反向电阻相等。,G,极连接的半导体类型与,D,、,S,极连接的半导体类型总是不同的，,G,极与,D,、,S,极之间有,PN,结，,PN,结的正向电阻小、反向电阻大。,7.2,场效应管,1,、类型与电极的检测,判断：用万用表的,RX100,档，测量场效应管任意两极之间的电阻，正反各测一次,若两次测得阻值相同或相近，则这两极是,D,、,S,极，剩下的极为栅极，然后红表笔不动，黑表笔接已判断出来的,G,极。,如果阻值很大，此测得为,PN,结的反向电阻，黑表笔接的应为,N,，红表笔接的应为,P,，所以该管子为,P,沟道场效应管；,如果阻值测得很小，则为,N,沟道场效应管。,若两次测得的阻值一大一小，则以阻值小的那次为准，红表笔不动，黑表笔接另一个极,如果阻值仍小，并且与黑表笔换极前测得的阻值相等或相近，则红表笔接的为栅极，该管子为,N,沟道场效应管；,如果测得的阻值与黑表笔换极前测得的阻值有较大的差距，则黑表笔换极前接的极为栅极，该管子为,P,沟道场效应管。,7.2,场效应管,三、检测,2,、放大能力的检测,万用表拨,RX100,档，红表笔接源极,S,，黑表笔接漏极,D,，由于测量阻值时万用表内接,1.5V,电池，则相当于给场效应管,D,、,S,极加上一个正向电压，然后用手接触栅极,G,，将人体的感应电压作为输入信号加到栅极上，由于场效应管的放大作用，表针会摆动（,I,D,电流变化引起的），表针摆动幅度越大，场效应管放大能力越大，如果表针不动，说明场效应管已经损坏。,场效应管的检测,7.2,场效应管,三、检测,3,、好坏检测,包括漏源极之间的正反向电阻、栅漏极之间的正反向电阻和栅源极之间的正反向电阻，检测共有六步，只有每步检测都通过才能确定场效应管是正常的。,测,漏源极之间的正反向电阻时，万用表置于,RX10,或,RX100,档，测量漏源之间的正反向电阻，正常阻值相等或相近，且在几十至几千欧，若超出这个阻值范围，则可能是漏源之间短路、开路或性能不良。,测栅漏极之间或栅源极之间的正反向电阻时，万用表置于,RX1K,档，测量时正向电阻小，反向电阻无穷大或接近无穷大。若不符合，则可能是栅漏极或栅源极之间短路、开路或性能不良。,7.2,场效应管,四、种类,除了前面介绍的结型场效应管（,JFET,）外，常见案的还有绝缘栅型场效应管，又称,MOS,管，,MOS,管又分为耗尽型和增强型，每种类型又分为,P,沟道和,N,沟道。,7.2,场效应管,五、场效应管型号命名方法,有两种命名方法：,与三极管相同,第一位“,3”,表示电极数,第二位字母代表材料,“,D”,是,P,型硅,N,沟道,“,C”,是,N,型硅,P,沟道,第三位字母“,J”,代表结型场效应管，“,O”,代表绝缘栅场效应管,第四位用数字表示同一类型产品的序号,第五位用字母表示规格号,例如：,3DJ6D,是结型,N,沟道场效应三极管，,3DO6C,是绝缘栅型,N,沟道场效应三极管。,命名方法为,CSXX#,。,CS,代表场效应管,XX,以数字代表型号的序号,#,用字母代表同一型号中的不同规格,例如：,CS14A,、,CS45G,等,