幾種常用的功率器件電力半導(dǎo)體及其應(yīng)用ppt課件

1、Chapter3 幾種常用的功率器件電力半導(dǎo)體及其應(yīng)用幾種常用的功率器件電力半導(dǎo)體及其應(yīng)用3.1 普通晶閘管普通晶閘管普通晶閘管又稱可控硅是一種大功率半導(dǎo)體器件，主普通晶閘管又稱可控硅是一種大功率半導(dǎo)體器件，主要用于大功率的交直流變換、調(diào)壓等。晶閘管三個(gè)電極分要用于大功率的交直流變換、調(diào)壓等。晶閘管三個(gè)電極分別用字母別用字母A(表示陽極表示陽極)、K表示陰極）、表示陰極）、G表示門極）。表示門極）。213陽極陰極控制極AKG1晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 晶閘管的伏安特性如圖晶閘管的伏安特性如圖2.7.1所示。它表示晶閘管的所示。它表示晶閘管的陽極與陰極間的電壓和它的陽極電流之間的關(guān)系。陽

2、極與陰極間的電壓和它的陽極電流之間的關(guān)系。通過特性曲線，可得出晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷的下列結(jié)通過特性曲線，可得出晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷的下列結(jié)論。論。在正常情況下，晶閘管導(dǎo)通的必要條件在正常情況下，晶閘管導(dǎo)通的必要條件有兩個(gè)，缺一不可：有兩個(gè)，缺一不可：（1晶閘管承受正向電壓陽極電位高晶閘管承受正向電壓陽極電位高于陰極電位）。于陰極電位）。（2加上適當(dāng)?shù)恼蜷T極電壓門極電加上適當(dāng)?shù)恼蜷T極電壓門極電位高于陰極電位）。位高于陰極電位）。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去了控制作晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去了控制作用。正因?yàn)槿绱?，晶閘管的門極控制信用。正因?yàn)槿绱耍чl管的門極控制信號(hào)只要是正向脈沖電壓就可以了，稱之號(hào)只

3、要是正向脈沖電壓就可以了，稱之為觸發(fā)電壓或觸發(fā)脈沖。為觸發(fā)電壓或觸發(fā)脈沖。要使晶閘管關(guān)斷，必須去掉陽極正向電壓，或者給陽極加反向電壓，或者要使晶閘管關(guān)斷，必須去掉陽極正向電壓，或者給陽極加反向電壓，或者降低正向陽極電壓，這樣就使通過晶閘管的電流降低到一定數(shù)值以下。能降低正向陽極電壓，這樣就使通過晶閘管的電流降低到一定數(shù)值以下。能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流，稱為維持電流。保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流，稱為維持電流。當(dāng)門極沒有加正向觸發(fā)電壓時(shí)，晶體管即使陽極和陰極之間加上正向電壓，當(dāng)門極沒有加正向觸發(fā)電壓時(shí)，晶體管即使陽極和陰極之間加上正向電壓，一般是不會(huì)導(dǎo)通的。一般是不會(huì)導(dǎo)通的。2晶閘管的主要參數(shù)晶閘

4、管的主要參數(shù)（1斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 。指在門極開路而器件的結(jié)溫為額定值時(shí)，。指在門極開路而器件的結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。若加在管子上的電壓大于允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。若加在管子上的電壓大于UDRM，管子可能會(huì)失控而自行導(dǎo)通。管子可能會(huì)失控而自行導(dǎo)通。（2反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓 URRM 。指門極開路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重。指門極開路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。當(dāng)加在管子上反向電壓大于復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。當(dāng)加在管子上反向電壓大于URRM時(shí)，管時(shí)，管子可能會(huì)被擊穿而損壞。子可能會(huì)被擊穿而損壞。通常

5、把通常把UDRM和和URRM中較小的那個(gè)數(shù)值標(biāo)作晶閘管型號(hào)上的額定電壓。中較小的那個(gè)數(shù)值標(biāo)作晶閘管型號(hào)上的額定電壓。在選用管子時(shí)，額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的在選用管子時(shí)，額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的23倍，以保整電路的倍，以保整電路的工作安全。工作安全。（3額定正向平均電流額定正向平均電流 IF 。其定義和二極管的額定整流電流意義相同。其定義和二極管的額定整流電流意義相同。要注意的是若晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間遠(yuǎn)小于正弦波的半個(gè)周期，即使要注意的是若晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間遠(yuǎn)小于正弦波的半個(gè)周期，即使IF值沒超值沒超過額定值，但峰值電流將非常大，以致可能超過管子所能提供的極限。過額定值，但峰值電流將非常大

6、，以致可能超過管子所能提供的極限。（4正向平均管壓降正向平均管壓降UF 。指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導(dǎo)通。指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導(dǎo)通的正弦波半個(gè)周期內(nèi)的正弦波半個(gè)周期內(nèi)UAK的平均值，一般在的平均值，一般在0.41.2V。（5維持電流維持電流IH 。指在常溫門極開路時(shí)，晶閘管從較大的通態(tài)電流降到。指在常溫門極開路時(shí)，晶閘管從較大的通態(tài)電流降到剛好能保持通態(tài)所需要的最小通態(tài)電流。一般剛好能保持通態(tài)所需要的最小通態(tài)電流。一般IH值從幾十到幾百毫安，視值從幾十到幾百毫安，視晶閘管電流容量大小而定。晶閘管電流容量大小而定。（6門極觸發(fā)電流門極觸發(fā)電流IG 。在常溫下，陽極電壓為。在

7、常溫下，陽極電壓為6V時(shí)，使晶閘管能完全導(dǎo)時(shí)，使晶閘管能完全導(dǎo)通所需的門極電流，一般為毫安級(jí)。通所需的門極電流，一般為毫安級(jí)。（7門極觸發(fā)電壓門極觸發(fā)電壓UG 。產(chǎn)生門極觸發(fā)電流所必須的最小門極電壓，一。產(chǎn)生門極觸發(fā)電流所必須的最小門極電壓，一般為般為5V左右。左右。（9通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率 。 在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。若晶閘管導(dǎo)通電流上升太快，則會(huì)在晶閘管剛開通時(shí)，大通態(tài)電流上升率。若晶閘管導(dǎo)通電流上升太快，則會(huì)在晶閘管剛開通時(shí)，有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而損壞晶閘管。有很大的電流集中在門極附近

8、的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而損壞晶閘管。ti dd3晶閘管的正確使用晶閘管的正確使用 （1管腳的判別。用萬用表管腳的判別。用萬用表R100W檔，分別測(cè)量各管腳間的正、反向電阻。檔，分別測(cè)量各管腳間的正、反向電阻。因?yàn)橹挥虚T極因?yàn)橹挥虚T極G與陰極與陰極K之間正向電阻較小，而其他均為高阻狀態(tài)，故一旦測(cè)出之間正向電阻較小，而其他均為高阻狀態(tài)，故一旦測(cè)出兩管腳間呈低阻狀態(tài)，則黑表筆所接為門極兩管腳間呈低阻狀態(tài)，則黑表筆所接為門極G，紅表筆所接為陰極，紅表筆所接為陰極K，另一端為，另一端為陽極陽極A。（8斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率 。 在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，在額定結(jié)溫和門極開路的情況

9、下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏。十伏。tu dd（3晶閘管額定電壓的選擇。晶閘管實(shí)際工作時(shí)承受的正常峰值電壓應(yīng)低于正、反向重復(fù)峰值電壓UDRM和URRM，并留有2倍的額定電壓值的余量，還應(yīng)有可靠的過電壓保護(hù)措施。（4晶閘管額定電流的選擇。晶閘管實(shí)際工作通過的最大平均電流應(yīng)低晶閘管額定電流的選擇。晶閘管實(shí)際工作通過的最大平均電流應(yīng)低于額定通態(tài)平均電流于額定通態(tài)平均電流ITa，并應(yīng)根據(jù)電流波形的變化進(jìn)行相應(yīng)換算，還應(yīng)，并應(yīng)根據(jù)電流波形的變化進(jìn)行相應(yīng)換算，還應(yīng)有有1.5倍的余量及過電流保護(hù)措施。

10、倍的余量及過電流保護(hù)措施。（5關(guān)于門極觸發(fā)電壓和電流的考慮。晶閘管實(shí)際觸發(fā)電壓和電流應(yīng)大關(guān)于門極觸發(fā)電壓和電流的考慮。晶閘管實(shí)際觸發(fā)電壓和電流應(yīng)大于晶閘管參數(shù)于晶閘管參數(shù)UGT和和IGT，以保證晶閘管可靠地被觸發(fā)，但也不能超過，以保證晶閘管可靠地被觸發(fā)，但也不能超過允許的極限值。允許的極限值。 （2管子質(zhì)量的判別。用萬用表R100W檔，若測(cè)的以下情況之一，則說明管子是壞的。任兩極間正反向電阻均為零。A、K間正向電阻為低阻留意：測(cè)量過程中黑表筆不要接觸G極）。各極之間均為高電阻。4. 應(yīng)用電路應(yīng)用電路3.2 雙向晶閘管雙向晶閘管 就其功能來說，雙向晶閘管可以被認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)連接的單向普通晶閘管

11、。它和單向晶閘管的區(qū)別是：第一，它在觸發(fā)之后是雙向?qū)ǖ?；第二，在門極中所加的觸發(fā)信號(hào)不管是正的還是負(fù)的都可以使雙向晶閘管導(dǎo)通。1雙向晶閘管的特性雙向晶閘管的特性231GMT1MT2MT2MT1GNPNPNN電極1電極1電極2電極2門極（控制極）門極（控制極）（1第一象限觸發(fā)第一象限觸發(fā)MT2+、G+。即相對(duì)于電極。即相對(duì)于電極MT1、MT2的電壓為正；的電壓為正；門極門極G的觸發(fā)電流為正。的觸發(fā)電流為正。（2第二象限觸發(fā)第二象限觸發(fā)MT2+、G。即相對(duì)于電極。即相對(duì)于電極MT1、MT2 的電壓為正；的電壓為正；門極門極G的觸發(fā)電流為負(fù)。的觸發(fā)電流為負(fù)。（3第三象限觸發(fā)第三象限觸發(fā) MT2、G

12、。即相對(duì)于電極。即相對(duì)于電極MT1、MT2的電壓為負(fù)；的電壓為負(fù)；門極門極G的觸發(fā)電流為負(fù)。的觸發(fā)電流為負(fù)。（4第四象限觸發(fā)第四象限觸發(fā) MT2、G+。即相對(duì)于電極。即相對(duì)于電極MT1、MT2 的電壓為負(fù)；的電壓為負(fù)；門極門極G的觸發(fā)電流為正。的觸發(fā)電流為正。雙向晶閘管的最高觸發(fā)靈敏度在第一、三象限，而在第二、四象限比較差。故在實(shí)際應(yīng)用中常采用第一、第三象限觸發(fā)方式。2. 應(yīng)用電路應(yīng)用電路 雙向晶閘管主要用于電機(jī)控制、電磁閥控制、調(diào)溫及調(diào)光控制等方面 。光敏電阻應(yīng)用電路：光控閃爍安全警示燈光敏電阻應(yīng)用電路：光控閃爍安全警示燈當(dāng)觸發(fā)二極管導(dǎo)通時(shí)，電容通過當(dāng)觸發(fā)二極管導(dǎo)通時(shí)，電容通過R2放電，可控

13、硅再次截止；放電，可控硅再次截止；電容又被充電，等等電容又被充電，等等.VCC_CIRCLEVCC_CIRCLEVCC_CIRCLE1212121274LS07+5VR1150MOC30211246R2330C0.22uF2KKSZf 220VR3可控硅器件的接口可控硅器件的接口3.3 功率場(chǎng)效應(yīng)管功率場(chǎng)效應(yīng)管 功率場(chǎng)效應(yīng)管功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET是是20世紀(jì)世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的年代中期發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體電力電子器件。同雙極型晶體管相比，功率新型半導(dǎo)體電力電子器件。同雙極型晶體管相比，功率MOSFET具有開關(guān)速度快、損耗低、驅(qū)動(dòng)電流小、無二次擊穿具有開關(guān)速度快、損耗低、驅(qū)動(dòng)電流小、無二

14、次擊穿現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。目前功率現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。目前功率MOSFET越來越受到人們的重視，廣泛越來越受到人們的重視，廣泛應(yīng)用于高頻電源變換、電機(jī)調(diào)速、高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域。應(yīng)用于高頻電源變換、電機(jī)調(diào)速、高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域。134321N溝道溝道PGGDDSS柵極柵極源極源極漏極漏極1功率功率MOSFET的基本特點(diǎn)的基本特點(diǎn)（1開關(guān)速度高。功率開關(guān)速度高。功率MOSFET是一種單極型導(dǎo)電器件，無固有是一種單極型導(dǎo)電器件，無固有存儲(chǔ)時(shí)間，其開關(guān)速度僅取決于極間寄生電容，故開關(guān)時(shí)間很短存儲(chǔ)時(shí)間，其開關(guān)速度僅取決于極間寄生電容，故開關(guān)時(shí)間很短小于小于50100ns），因而具有更高的工作頻率），因而具有更高的工作頻

15、率100kHz以上）。以上）。（2驅(qū)動(dòng)功率小。功率驅(qū)動(dòng)功率小。功率MOSFET是一種電壓型控制器件，既通、是一種電壓型控制器件，既通、斷均由柵源電壓控制。由于柵極與器件主體是電隔離的，故功率斷均由柵源電壓控制。由于柵極與器件主體是電隔離的，故功率增益高，所需的驅(qū)動(dòng)功率極小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。增益高，所需的驅(qū)動(dòng)功率極小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。（3安全工作區(qū)域?qū)?。功率安全工作區(qū)域?qū)?。功率MOSFET無二次擊穿現(xiàn)象，因此功率無二次擊穿現(xiàn)象，因此功率MOSFET較同功率等級(jí)的較同功率等級(jí)的GTR安全工作區(qū)寬，更穩(wěn)定耐用。安全工作區(qū)寬，更穩(wěn)定耐用。（4過載能力強(qiáng)。短時(shí)過載電流一般為額定值的過載能力強(qiáng)。短時(shí)過載電流一

16、般為額定值的4倍。倍。（5抗干擾能力強(qiáng)。功率抗干擾能力強(qiáng)。功率MOSFET的開啟電壓一般為的開啟電壓一般為26V。（6并聯(lián)容易。功率并聯(lián)容易。功率MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)即通的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)即通態(tài)電阻值隨結(jié)溫升高而增加），因而在多管并聯(lián)時(shí)易于均流。態(tài)電阻值隨結(jié)溫升高而增加），因而在多管并聯(lián)時(shí)易于均流。2功率功率MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)（1漏極額定電流漏極額定電流ID。指漏極允許連續(xù)通過的最大電流，在選擇器件時(shí)。指漏極允許連續(xù)通過的最大電流，在選擇器件時(shí)要考慮充分的余量，以防止器件在溫度升高時(shí)漏極額定電流降低而損壞器要考慮充分的余量，以防止器件在溫度升高時(shí)漏極額定電流

17、降低而損壞器件。件。（2通態(tài)電阻通態(tài)電阻RDS(ON)。它是功率。它是功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)漏源電壓與漏極電流導(dǎo)通時(shí)漏源電壓與漏極電流的比值。通態(tài)電阻越大耗散功率越大，越容易損壞器件。通態(tài)電阻與柵源的比值。通態(tài)電阻越大耗散功率越大，越容易損壞器件。通態(tài)電阻與柵源電壓有關(guān)，隨著柵源電壓的升高通態(tài)電阻值將減少。這樣似乎柵源電壓越電壓有關(guān)，隨著柵源電壓的升高通態(tài)電阻值將減少。這樣似乎柵源電壓越高越好，但過高的柵源電壓會(huì)延緩高越好，但過高的柵源電壓會(huì)延緩MOSFET的開通和關(guān)斷時(shí)間，故一般選的開通和關(guān)斷時(shí)間，故一般選擇柵源電壓為擇柵源電壓為12V。（3閥值電壓閥值電壓UGS(th)。指漏極流過一個(gè)特定

18、量的電流所需的最小柵源。指漏極流過一個(gè)特定量的電流所需的最小柵源控制電壓。有人認(rèn)為閥值電壓控制電壓。有人認(rèn)為閥值電壓UGS(th)小一點(diǎn)好，這樣功率小一點(diǎn)好，這樣功率MOSFET可以可以用用CMOS或或TTL等低電壓電路驅(qū)動(dòng)。但是太小的閥值電壓抗干擾能力差，等低電壓電路驅(qū)動(dòng)。但是太小的閥值電壓抗干擾能力差，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的噪聲干擾會(huì)引起驅(qū)動(dòng)信號(hào)的噪聲干擾會(huì)引起MOSFET的誤導(dǎo)通，影響它的正常工作。的誤導(dǎo)通，影響它的正常工作。（4漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓U(BR)DSS。漏源擊穿電壓。漏源擊穿電壓U(BR)DSS是在是在UGS=0時(shí)時(shí)漏極和源極所能承受的最大電壓。功率漏極和源極所能承受的最大電壓。功率MOSFET在工作時(shí)絕對(duì)不能超過在工作時(shí)絕對(duì)不能超過這個(gè)電壓。這個(gè)電壓。（5最大耗散功率最大耗散功率PD。它表示器件所能承受的最