電子器件3功率器件

1、*第三編 功率器件*要求：高電壓、大電流、快速度、易控制要求苛刻，各有長短第九章 功率晶體管(GTR)(Giant Transistor：壓降小，速度快)9.1 特性與保護一、特性參數(shù)結(jié)構(gòu)特性：（增加注入點，以增大電流）GTR結(jié)構(gòu) 符號 共射極伏安特性 共射極電流增益特性（電導調(diào)制效應(yīng)。飽和區(qū)：n已飽和。線性區(qū)：n未飽和。截止區(qū)：n極小。擊穿區(qū)：n急增）（ 調(diào)濃度n r常數(shù) nIc r極大 r極小 ）主要參數(shù)：放大系數(shù)：hFE=ICIB最大電流：ICM （常指hFE降半處Ic值）飽和壓降：VCE(sat) （飽和應(yīng)適度，準飽和）最大功耗：PCMICVon（TjmTC) RjC，因此： IC（T

2、jmTC) （RjCVon )擊穿電壓：VCEX等 （反偏最高）維持電壓：VCEX(sus)等 （大電流耐壓）dvdt、didt耐量：即最大允許值 （dv/dt過大，易誤導通；di/dt過大，易局部燒壞）開關(guān)時間：ton，toff （影響開關(guān)速度、開關(guān)損耗） tontdtr (即0.1 IB0.9 IC); toff tstf (即0.9 IB0.1 IC); 開關(guān)損耗：PSWPonPoff (理想開關(guān)：iv0，P0；實際開關(guān)：Pivdt0)安全工作區(qū)：SOA (I、V、P應(yīng)在SOA內(nèi))GTR開關(guān)過程的電流波形 GTR的二次擊穿特性（參看UJT）開通損耗 關(guān)斷損耗 正偏SOA 開關(guān)損耗 安全工

3、作區(qū)二、驅(qū)動與保護驅(qū)動電路：準飽和 速度較快、效率較高 。（欠飽和：Von大，功耗大。過飽和：toff大，即關(guān)斷速度慢。準飽和：較適中。）最優(yōu)驅(qū)動電流波形 抗飽和電路兩路：VVD2VCEVVD1VBE，而VVD2VVD1，于是VCEVBE：即VCE不會降到VBE以下( 若VBC 0，則ID2 0 導通) GTR的典型驅(qū)動電路互補抗飽和驅(qū)動電路 磁耦隔離驅(qū)動電路保護電路：緩沖保護 過流保護9.2 應(yīng)用舉例一、逆變電路單相逆變電路三相逆變電路二、電機驅(qū)動單端正負電平驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)電路（C何用？）三、其他應(yīng)用舉例恒流充電電路自動延時門鈴電路第十章 門極關(guān)斷晶閘管(GTO)( Gate Turn-of

4、f thyristor：高電壓、大電流 )( GTO：103A/103V以上，GTR：102A/103V以上，VMOS：101A/103V以上 )10.1 特性與保護一、特性參數(shù)結(jié)構(gòu)特性：GTO結(jié)構(gòu) 等效電路 符號 （IG+IA導致IA開通） （受VA、IA影響） （正反向不對稱）GTO陽極特性 GTO門極特性 門極控制信號主要參數(shù)： 最大可關(guān)斷陽極電流：IATO 關(guān)斷增益：offIATO / |IGM| 浪涌電流：最大通態(tài)過載電流 擎住電流：陽極電流保持全面導通的最低值 峰值電壓：（超過則不觸發(fā)即導通，會局部過熱等損壞GTO） dv/dt、di/dt耐量：能承受的最大電壓上升率、電流上升率（

5、dv/dt過高易誤導，有充電電流；di/dt過大易局部過熱而損壞） 開關(guān)時間：tontdtr ，toff tstf (影響開關(guān)速度、開關(guān)損耗)二、驅(qū)動與保護驅(qū)動電路：GTO由門極正脈沖開通、負脈沖關(guān)斷，門極反偏提高陽極dv/dt耐量（因結(jié)區(qū)展寬）。門極驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)及示例（C儲能關(guān)斷GTO）門極驅(qū)動電路實例保護電路：緩沖電路可用L限制di/dt，用C限制dv/dt。為減小關(guān)斷時的尖峰電壓，引線要短，C應(yīng)采用無感電容。（用D1后，可充快放慢以減小di/dt。）GTO的緩沖電路 GTO的過流保護10.2 應(yīng)用舉例一、斬波電路降壓斬波電路 升壓斬波電路（便于控制、不生電?。?（L1儲能釋放產(chǎn)生高壓）二

6、、逆變電路單相逆變（只要一對開關(guān)，橋式需要兩對）：GTO單相逆變電路 汽油點火電路（D為L續(xù)流） （L儲能開通GTO、C儲能關(guān)斷GTO）三、開關(guān)電路直流雙位開關(guān)電路（C儲能開通、關(guān)斷GTO）開關(guān)過程：S1、C1放電 GTO1通、GTO2斷RL1通、RL2斷，C2充電 S2、C2放電 GTO2通、GTO1斷RL2通、RL1斷，C1充電GTO交流斷路器習題五1、簡述開關(guān)損耗是如何形成的，并說明圖9-16電路的逆變原理和GTR反向并接VD的作用。2、簡述GTO緩沖電路的工作原理和圖10-115電路的斬波原理。 第十一章 功率場效應(yīng)管(VMOS)(Vertical Diffusion Metal-Ox

7、ide Semiconductor：速度快，易驅(qū)動，SOA寬，功率小)11.1 特性與保護一、特性參數(shù)結(jié)構(gòu)特性：VMOS結(jié)構(gòu) 等效電路 符號 輸出特性 VMOS的結(jié)構(gòu)、符號及伏安特性（符號區(qū)別：nMOS流向源極，pMOS流自源極。類似于NPN管與PNP管）MOSFET結(jié)構(gòu)、符號 JFET結(jié)構(gòu)、符號* 對照：柵型場效應(yīng)管和結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及符號主要參數(shù)： 通態(tài)電阻：RDS(on) （隨結(jié)溫Tj而增大） 最大功耗：PDMID2RDS（TjmTC) / Rjc 漏源電壓：VDS (最高工作電壓) 柵源閾值電壓：VGS(th) (最低導通電壓) 柵源額定電壓：VGS (一般20V，常用小R抑制) 太

8、高擊穿 開關(guān)時間：tontdtr，tofftstf (影響開關(guān)速度和開關(guān)損耗，越短越好) 安全工作區(qū)：SOA (I、V、P應(yīng)在SOA內(nèi))二、驅(qū)動與保護驅(qū)動：（加V可加速關(guān)斷）晶體管互補 MOS管互補互補驅(qū)動電路電磁隔離 光電隔離隔離驅(qū)動電路 保護：（柵極易壞）防止靜電擊穿，防止偶然振蕩，防止過壓過流等。幾種典型的緩沖電路(a) RC緩沖 (b) RCD緩沖 (c) 共用RCD緩沖 (d) 交叉RCD緩沖過壓保護電路 過流保護電路11.2 應(yīng)用舉例一、逆變電路由VMOS和GTR組成的混合逆變器（小信號驅(qū)動-VMOS過渡-大電流驅(qū)動。驅(qū)動簡化，關(guān)斷續(xù)流通過寄生二極管）二、開關(guān)電源 UiUTUO開關(guān)

9、電源（體積小、效率高，=7090%） 線性電源（體積大、效率低，=3040%）（電容分壓不耗能） （電壓波動全落在UT上）三、其他應(yīng)用模擬開關(guān)電路及其電壓波形電池充電電路（RP設(shè)定充電閾值，假設(shè)12.6V充電結(jié)束）功率MOSFET構(gòu)成的大功率電機驅(qū)動電路第十二章 絕緣柵晶體管(IGBT)(Insulated Gate Bipolar Transistor：高電壓，大電流，快速度，易驅(qū)動，SOA寬)(GTR：壓降小，電流控。MOS：易驅(qū)動，電阻大。)魚熊兼得，雜交優(yōu)勢12.1 特性與保護一、特性參數(shù)結(jié)構(gòu)特性：IGBT結(jié)構(gòu) 符號 伏安特性 主要參數(shù)：最大電壓：VCEM門極電壓：VGE （一般15V

10、左右，太大易壞，太小Von大）耗散功率：PCMICVCE（TjmTC) / Rjc *注意：IC隨VGE及VCE的增大而上升。開關(guān)時間：tontdtr，tofftstf 安全工作區(qū)：SOA 二、驅(qū)動與保護驅(qū)動：光電隔離（互補驅(qū)動） 電磁隔離（變壓器驅(qū)動） 保護：防靜電，防干擾，防止過壓、過流等。加接RG以減小di/dt，防止振蕩；加接RGE以減小干擾，防止誤導通等。IGBT的緩沖保護電流識別法IBGT過流保護電路電壓識別法IBGT過流保護電路（過流時，VCE升高，D2擊穿，T3導通，IGBT關(guān)斷）12.2 應(yīng)用舉例IGBT廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、電機控制及其他要求速度快、損耗低的場合等。一、逆變電

11、路串聯(lián)諧振式IGBT變頻電路IGBT逆變弧焊電源主電路（全橋全壓，半橋半壓）二、斬波電路直流斬波 互補放大三、放大電路 （失真小、效率高） （保真：前放線性、功放線性）*甲類放大：全波通，失真小、效率低。 乙類放大：半導通，有失真、效率高。 甲乙類：較佳丙類放大：小半通（高頻），失真大、效率高、。丁類放大：開關(guān)型，失真小、高效率。（穩(wěn)壓特性：U微增 I 劇增）采用IGBT的功率放大電路（恒壓偏置，過0線性好）正半周：IGBT1導通放大，負半周：IGBT2導通放大。VT5穩(wěn)定正負偏壓。*對照：采用VMOS的高保真功率放大器*對照：甲乙類功率放大電路放大原理：假定偏置為：UG102V，UG202V，此時VF1和VF2均處于臨界導通狀態(tài)。（即剛要導通）若U10，則UG1UG10U12V，UG2UG20U12V，則VF1和VF2均處于臨界導通狀態(tài)；若U11V，則UG1UG10U13V，UG2UG20U11V，則VF1導通、VF2截止，正向放大；若U11V，則UG1UG10U11V，UG2UG20U13V，則VF1截止、VF2導通，負向放大。 脈寬調(diào)制 （變成高頻方波） 驅(qū)動電路 功率放大 低通濾波