第七章晶閘管和場效應管

1、7.1 晶閘管晶閘管7.2 場效應管場效應管第七章第七章 晶閘管與場效應管晶閘管與場效應管 晶閘管、場效應管與三級管相似，都有三個電晶閘管、場效應管與三級管相似，都有三個電極。極。晶閘管主要當做可控電子開關(guān)使用。晶閘管主要當做可控電子開關(guān)使用。場效應管主要用來放大信號電壓，而三極管主場效應管主要用來放大信號電壓，而三極管主要是放大信號電流要是放大信號電流7.1 晶閘管晶閘管 晶閘管又稱可控硅，是一個晶閘管又稱可控硅，是一個p1n1p2n2四層，具有四層，具有3個個pn結(jié)，并引出結(jié)，并引出3個電極的半導體開關(guān)器件。它的三個電個電極的半導體開關(guān)器件。它的三個電極，分別是陽極（極，分別是陽極（a）、

2、陰極（）、陰極（k）和門極（）和門極（g）。）。7.1 晶閘管晶閘管 晶閘管又稱可控硅，是一個晶閘管又稱可控硅，是一個p1n1p2n2四層，具有四層，具有3個個pn結(jié)，并引出結(jié)，并引出3個電極的半導體開關(guān)器件。它的三個電個電極的半導體開關(guān)器件。它的三個電極，分別是陽極（極，分別是陽極（a）、陰極（）、陰極（k）和門極（）和門極（g）。）。內(nèi)部結(jié)構(gòu)：內(nèi)部結(jié)構(gòu)：7.1 晶閘管晶閘管 一、晶閘管性質(zhì)一、晶閘管性質(zhì)1、導通晶閘管：、導通晶閘管：無論無論a、k極之間加什么電壓，只要極之間加什么電壓，只要g、k極之間沒有加正向極之間沒有加正向電壓，晶閘管就無法導通。電壓，晶閘管就無法導通。只有只有a、k極

3、之間加正向電壓，并且極之間加正向電壓，并且g、k極之間也加一定的極之間也加一定的正向電壓，晶閘管才能導通。正向電壓，晶閘管才能導通。 給晶閘管給晶閘管g極提供電壓，讓極提供電壓，讓ig電流流入電流流入g極，晶閘管極，晶閘管a、k極之間馬上導通，這種現(xiàn)象稱為晶閘管的觸發(fā)導通。極之間馬上導通，這種現(xiàn)象稱為晶閘管的觸發(fā)導通。晶閘管導通后，撤掉晶閘管導通后，撤掉g、k極之間的正向電壓后晶閘管仍繼續(xù)極之間的正向電壓后晶閘管仍繼續(xù)導通。導通。2、關(guān)閉晶閘管：、關(guān)閉晶閘管：讓流入晶閘管讓流入晶閘管a極的電流減小到某一值極的電流減小到某一值ih（維持電流）（維持電流）讓讓a、k極之間的正向電壓極之間的正向電壓

4、uak減小到減小到0或加反向電壓或加反向電壓實驗演示實驗演示p1n1p2n1p2n2ic1ib2ic2ib1igiaik加上加上igib2 ic2 ib1 ic17.1 晶閘管晶閘管 二、晶閘管主要參數(shù)二、晶閘管主要參數(shù)7.1 晶閘管晶閘管 三、晶閘管的檢測三、晶閘管的檢測包括極性檢測、好壞檢測、觸發(fā)能力檢測包括極性檢測、好壞檢測、觸發(fā)能力檢測1、極性檢測、極性檢測7.1 晶閘管晶閘管 三、晶閘管的檢測三、晶閘管的檢測包括極性檢測、好壞檢測、觸發(fā)能力檢測包括極性檢測、好壞檢測、觸發(fā)能力檢測2、好壞檢測、好壞檢測7.1 晶閘管晶閘管 三、晶閘管的檢測三、晶閘管的檢測包括極性檢測、好壞檢測、觸發(fā)能

5、力檢測包括極性檢測、好壞檢測、觸發(fā)能力檢測3、觸發(fā)能力檢測、觸發(fā)能力檢測7.1 晶閘管晶閘管 四、晶閘管的種類四、晶閘管的種類7.1 晶閘管晶閘管 四、晶閘管的種類四、晶閘管的種類1、雙向晶閘管、雙向晶閘管 雙向晶閘管是由雙向晶閘管是由n-p-n-p-n五層半導體材料制成的，對外也引出三個電五層半導體材料制成的，對外也引出三個電極，其結(jié)構(gòu)如圖所示。雙向晶閘管相當于兩個單向晶閘管的反向并聯(lián)，但只極，其結(jié)構(gòu)如圖所示。雙向晶閘管相當于兩個單向晶閘管的反向并聯(lián)，但只有一個控制極。有一個控制極。 雙向晶閘管與單向晶閘管一樣，也具有觸發(fā)控制特性。不過，它的觸發(fā)雙向晶閘管與單向晶閘管一樣，也具有觸發(fā)控制特性

6、。不過，它的觸發(fā)控制特性與單向晶閘管有很大的不同，這就是無論在陽極和陰極間接入何種控制特性與單向晶閘管有很大的不同，這就是無論在陽極和陰極間接入何種極性的電壓，只要在它的控制極上加上一個觸發(fā)脈沖，也不管這個脈沖是什極性的電壓，只要在它的控制極上加上一個觸發(fā)脈沖，也不管這個脈沖是什么極性的么極性的,都可以使雙向晶閘管導通。都可以使雙向晶閘管導通。 由于雙向晶閘管在陽、陰極間接任何極性的工作電壓都可以實現(xiàn)觸發(fā)控由于雙向晶閘管在陽、陰極間接任何極性的工作電壓都可以實現(xiàn)觸發(fā)控制，因此雙向晶閘管的主電極也就沒有陽極、陰極之分，通常把這兩個主電制，因此雙向晶閘管的主電極也就沒有陽極、陰極之分，通常把這兩個

7、主電極稱為極稱為t1電極和電極和t2電極，將接在電極，將接在p型半導體材料上的主電極稱為型半導體材料上的主電極稱為t1電極，將電極，將接在接在n型半導體材料上的電極稱為型半導體材料上的電極稱為t2電極。電極。 由于雙向晶閘管的兩個主電極沒有正負之分，所以它的參數(shù)中也就沒有由于雙向晶閘管的兩個主電極沒有正負之分，所以它的參數(shù)中也就沒有正向峰值電壓與反向峰值電壓之分，而只用一個最大峰值電壓，雙向晶閘管正向峰值電壓與反向峰值電壓之分，而只用一個最大峰值電壓，雙向晶閘管的其他參數(shù)則和單向晶閘管相同。的其他參數(shù)則和單向晶閘管相同。 由于雙向晶閘管正、反特性具有對稱性，所以它可在任何一個方向?qū)?，由于雙向

8、晶閘管正、反特性具有對稱性，所以它可在任何一個方向?qū)?，是一種理想的交流開關(guān)器件。是一種理想的交流開關(guān)器件。 7.1 晶閘管晶閘管 雙向晶閘管的檢測方法雙向晶閘管的檢測方法判定判定t1極極 由圖可見，由圖可見，g極與極與t2極靠近，距極靠近，距t1極較遠。因此，極較遠。因此，gt2之間的正、反向電阻都很小。在用之間的正、反向電阻都很小。在用 rxlk檔測任意兩腳之間檔測任意兩腳之間的電阻時，只有在的電阻時，只有在g-t2之間呈現(xiàn)低阻，正、反向電阻僅幾十之間呈現(xiàn)低阻，正、反向電阻僅幾十歐，而歐，而t1-g、t2-t1之間的正、反向電阻均為無窮大。這表明，之間的正、反向電阻均為無窮大。這表明，如果

9、測出某腳和其他兩腳都不通，就肯定是如果測出某腳和其他兩腳都不通，就肯定是t1極。另外，采極。另外，采用用to220封裝的雙向晶閘管，封裝的雙向晶閘管，t1極通常與小散熱板連通，極通常與小散熱板連通，據(jù)此亦可確定據(jù)此亦可確定t1極。極。 7.1 晶閘管晶閘管 雙向晶閘管的檢測方法雙向晶閘管的檢測方法區(qū)分區(qū)分g極和極和t2極極 (1) 找出找出t1極之后，首先假定剩下兩腳中某一腳為極之后，首先假定剩下兩腳中某一腳為t2極，另一腳為極，另一腳為g極。極。 (2) 把黑表筆接把黑表筆接t2極，紅表筆接極，紅表筆接t1極，電阻為無窮大。接著用紅表筆尖把極，電阻為無窮大。接著用紅表筆尖把t1與與g短短路，

10、給路，給g極加上負觸發(fā)信號，電阻值應為十歐左右，證明管子已經(jīng)導通，導通方向極加上負觸發(fā)信號，電阻值應為十歐左右，證明管子已經(jīng)導通，導通方向為為t2一一t1。再將紅表筆尖與。再將紅表筆尖與g極脫開極脫開(但仍接但仍接t1)，若電阻值保持不變，證明管子，若電阻值保持不變，證明管子在觸發(fā)之后能維持導通狀態(tài)。在觸發(fā)之后能維持導通狀態(tài)。 (3) 把紅表筆接把紅表筆接t2極，黑表筆接極，黑表筆接t1極，然后使極，然后使t1與與g短路，給短路，給g極加上正觸發(fā)信號，極加上正觸發(fā)信號，電阻值仍為十歐左右，與電阻值仍為十歐左右，與g極脫開后若阻值不變，則說明管子經(jīng)觸發(fā)后，在極脫開后若阻值不變，則說明管子經(jīng)觸發(fā)后

11、，在t1一一t2方向上也能維持導通狀態(tài)，因此具有雙向觸發(fā)性質(zhì)。由此證明上述假定正確。方向上也能維持導通狀態(tài)，因此具有雙向觸發(fā)性質(zhì)。由此證明上述假定正確。否則是假定與實際不符，需再作出假定，重復以上測量。顯見，否則是假定與實際不符，需再作出假定，重復以上測量。顯見， 在識別在識別g、t2的的過程中，也就檢查了雙向晶閘管的觸發(fā)能力。如果按哪種假定去測量，都不能使過程中，也就檢查了雙向晶閘管的觸發(fā)能力。如果按哪種假定去測量，都不能使雙向晶閘管觸發(fā)導通，證明管于巳損壞。對于雙向晶閘管觸發(fā)導通，證明管于巳損壞。對于la的管子，亦可用的管子，亦可用rxl0檔檢測，對檔檢測，對于于3a及及3a以上的管子，應

12、選以上的管子，應選rxlk檔，否則難以維持導通狀態(tài)。檔，否則難以維持導通狀態(tài)。 7.1 晶閘管晶閘管 四、晶閘管的種類四、晶閘管的種類2、門極可關(guān)斷晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管 門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（gate-turn-off thyristor gto）是晶閘管的一種派生器件，可以通過在門極施加負的脈沖電流是晶閘管的一種派生器件，可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關(guān)斷使其關(guān)斷 gto的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點：與普

13、通晶閘管的相同點： pnpn四層半導體結(jié)構(gòu)，外部引四層半導體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：和普通晶閘管的不同點：gto是一種多元的功率集成器件，是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小gto元，這些元，這些gto元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。c)圖1-13agkggkn1p1n2n2p2b)a)agkgtogto的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號工作原理：工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用下圖所示的雙晶體管模型來分析。與普通晶閘管一樣，可

14、以用下圖所示的雙晶體管模型來分析。 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理由由p1n1p2p1n1p2和和n1p2n2n1p2n2構(gòu)成的兩個晶體管構(gòu)成的兩個晶體管vt1vt1、vt2vt2分別具有共基極電流增分別具有共基極電流增益益1 1和和2 2。 1+1+ 2=12=1是器件臨界導通的條件。當是器件臨界導通的條件。當 1+1+ 2121時，兩個等效晶體管過時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導通；當飽和而使器件導通；當 1+1+ 2121時，不能維持飽和導通而關(guān)斷。時，不能維持飽和導通而關(guān)斷。（1 1）設(shè)計）設(shè)計 2 2較大，使晶體管較大，使晶體管vtvt2 2控制靈敏，控制靈敏，易于易于gtogt

15、o關(guān)斷。關(guān)斷。（2 2）導通時）導通時 1 1+ + 2 2更接近更接近1 1（ 1.051.05，普通，普通晶閘管晶閘管 1 1+ + 2 2 1.151.15）, ,導通時飽和不深，導通時飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導通時管壓降增大。但導通時管壓降增大。 （3 3）多元集成結(jié)構(gòu)使）多元集成結(jié)構(gòu)使gtogto元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得得p p2 2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流?；鶇^(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理gto能夠通過門極關(guān)斷的原因是其

16、與普通晶閘管有如下區(qū)別：能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：gtogto的驅(qū)動電路的驅(qū)動電路 門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（gto）的導通過程與普通晶閘）的導通過程與普通晶閘管相似，可以用正門極電流開通。但在關(guān)斷過程中，管相似，可以用正門極電流開通。但在關(guān)斷過程中，gto可以采用負的門極電流關(guān)斷，這一點與普通晶閘管可以采用負的門極電流關(guān)斷，這一點與普通晶閘管完全不同。完全不同。 影響關(guān)斷的因素很多，例如陽極電流越大越難關(guān)斷，影響關(guān)斷的因素很多，例如陽極電流越大越難關(guān)斷，電感負載較電阻負載難以關(guān)斷，工作頻率越高、結(jié)溫越電感負載較電阻負載難以關(guān)斷，工作頻率越高、結(jié)溫越高越難以關(guān)

17、斷。高越難以關(guān)斷。 所以欲使所以欲使gto關(guān)斷，往往需要具有特殊關(guān)斷，往往需要具有特殊的門極關(guān)斷功能的門極驅(qū)動電路。的門極關(guān)斷功能的門極驅(qū)動電路。gtogto的驅(qū)動電路的驅(qū)動電路 gto gto的門極驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路、關(guān)斷驅(qū)的門極驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路、關(guān)斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分動電路和門極反偏電路三部分 門極驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)示意圖及理想的門極驅(qū)動電流波形門極驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)示意圖及理想的門極驅(qū)動電流波形 1. gto1. gto對門極驅(qū)動電路的基本要求對門極驅(qū)動電路的基本要求 gtogto的驅(qū)動電路的驅(qū)動電路1)1) 門極開通門極開通 sa/dtdigu/sgto觸發(fā)導通要求

18、觸發(fā)脈沖信號具有前沿陡、幅度高、寬觸發(fā)導通要求觸發(fā)脈沖信號具有前沿陡、幅度高、寬度大、后沿緩的脈沖波形；度大、后沿緩的脈沖波形；上升沿陡峭的門極電流脈沖有利于上升沿陡峭的門極電流脈沖有利于gto的快速導通，且可的快速導通，且可保證使所有的保證使所有的gto元件幾乎同時導通，且使電流分布趨于均元件幾乎同時導通，且使電流分布趨于均勻，通常要求脈沖前沿為勻，通常要求脈沖前沿為 =510 ；脈沖幅度高可實現(xiàn)強觸發(fā)，有利于縮短開通時間，減少開脈沖幅度高可實現(xiàn)強觸發(fā)，有利于縮短開通時間，減少開通損耗，為此一般要求脈沖幅度為額定直流觸發(fā)電流的通損耗，為此一般要求脈沖幅度為額定直流觸發(fā)電流的410倍；倍；脈沖

19、有足夠的寬度可以保證陽極電流可靠建立，一般取脈脈沖有足夠的寬度可以保證陽極電流可靠建立，一般取脈寬為寬為1060 ；脈沖后沿盡量平緩可以防止產(chǎn)生振蕩，在開通脈沖的尾部脈沖后沿盡量平緩可以防止產(chǎn)生振蕩，在開通脈沖的尾部出現(xiàn)負的門極電流，不利于門極開通。出現(xiàn)負的門極電流，不利于門極開通。 gtogto的驅(qū)動電路的驅(qū)動電路2 2） 門極關(guān)斷門極關(guān)斷dtdigd/sa/已導通的已導通的gtogto靠門極反向電流來關(guān)斷，它是靠門極反向電流來關(guān)斷，它是gtogto應用中的應用中的關(guān)鍵問題；關(guān)鍵問題；對門極關(guān)斷脈沖波形的要求是前沿陡、幅度高、寬度足夠、對門極關(guān)斷脈沖波形的要求是前沿陡、幅度高、寬度足夠、后沿

20、平緩。前沿陡，可以縮短關(guān)斷時間，減少關(guān)斷損耗。但后沿平緩。前沿陡，可以縮短關(guān)斷時間，減少關(guān)斷損耗。但前沿不宜過陡，否則會使關(guān)斷增益降低，陽極尾部電流增加，前沿不宜過陡，否則會使關(guān)斷增益降低，陽極尾部電流增加，對對gtogto產(chǎn)生不利影響，一般使脈沖電流的上升率為產(chǎn)生不利影響，一般使脈沖電流的上升率為 =5=510 10 ；為了保證為了保證gtogto的可靠關(guān)斷，關(guān)斷負電壓脈沖寬度應不小于的可靠關(guān)斷，關(guān)斷負電壓脈沖寬度應不小于40s40s。關(guān)斷電壓脈沖的后沿應盡量平緩，如果坡度太陡，。關(guān)斷電壓脈沖的后沿應盡量平緩，如果坡度太陡，由于結(jié)電容效應會產(chǎn)生一個門極正電流（盡管門極電壓是負由于結(jié)電容效應會

21、產(chǎn)生一個門極正電流（盡管門極電壓是負的），使的），使gtogto有開通的可能，不利于關(guān)斷。有開通的可能，不利于關(guān)斷。 gtogto的驅(qū)動電路的驅(qū)動電路與普通晶閘管相比，與普通晶閘管相比，gtogto由于結(jié)構(gòu)原因使得其承受電由于結(jié)構(gòu)原因使得其承受電壓上升率的能力較差，例如陽極電壓上升率較高時可壓上升率的能力較差，例如陽極電壓上升率較高時可能會引起誤觸發(fā)。能會引起誤觸發(fā)。可以設(shè)置一個門極反偏電路，在可以設(shè)置一個門極反偏電路，在gtogto正向阻斷期間于正向阻斷期間于門極上施加反偏電壓，從而提高承受的能力。門極上施加反偏電壓，從而提高承受的能力。 但反偏電壓的幅度必須小于門極反向雪崩電壓，持但反偏電壓的幅度必須小于門極反向雪崩電壓，持續(xù)時間可以是幾十微秒和整個阻斷狀態(tài)所處的時間，續(xù)時間可以是幾十微秒和整個阻斷狀態(tài)所處的時間，這樣有利于這樣有利于gtogto的安全運行