第七章晶閘管和場(chǎng)效應(yīng)管

第七章晶閘管和場(chǎng)效應(yīng)管第1頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.1晶閘管

晶閘管又稱(chēng)可控硅，是一個(gè)P1N1P2N2四層，具有3個(gè)PN結(jié)，并引出3個(gè)電極的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。它的三個(gè)電極，分別是陽(yáng)極（A）、陰極（K）和門(mén)極（G）。第2頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.1晶閘管

晶閘管又稱(chēng)可控硅，是一個(gè)P1N1P2N2四層，具有3個(gè)PN結(jié)，并引出3個(gè)電極的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。它的三個(gè)電極，分別是陽(yáng)極（A）、陰極（K）和門(mén)極（G）。內(nèi)部結(jié)構(gòu)：第3頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.1晶閘管

一、晶閘管性質(zhì)1、導(dǎo)通晶閘管：無(wú)論A、K極之間加什么電壓，只要G、K極之間沒(méi)有加正向電壓，晶閘管就無(wú)法導(dǎo)通。只有A、K極之間加正向電壓，并且G、K極之間也加一定的正向電壓，晶閘管才能導(dǎo)通。給晶閘管G極提供電壓，讓IG電流流入G極，晶閘管A、K極之間馬上導(dǎo)通，這種現(xiàn)象稱(chēng)為晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通后，撤掉G、K極之間的正向電壓后晶閘管仍繼續(xù)導(dǎo)通。2、關(guān)閉晶閘管：讓流入晶閘管A極的電流減小到某一值IH（維持電流）讓A、K極之間的正向電壓UAK減小到0或加反向電壓實(shí)驗(yàn)演示P1N1P2N1P2N2Ic1Ib2Ic2Ib1IGIAIK加上Ig→Ib2↑→Ic2↑→Ib1↑→

Ic1↑第4頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.1晶閘管

二、晶閘管主要參數(shù)第5頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.1晶閘管

三、晶閘管的檢測(cè)包括極性檢測(cè)、好壞檢測(cè)、觸發(fā)能力檢測(cè)1、極性檢測(cè)第6頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.1晶閘管

三、晶閘管的檢測(cè)包括極性檢測(cè)、好壞檢測(cè)、觸發(fā)能力檢測(cè)2、好壞檢測(cè)第7頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.1晶閘管

三、晶閘管的檢測(cè)包括極性檢測(cè)、好壞檢測(cè)、觸發(fā)能力檢測(cè)3、觸發(fā)能力檢測(cè)第8頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.1晶閘管

四、晶閘管的種類(lèi)第9頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.1晶閘管

四、晶閘管的種類(lèi)1、雙向晶閘管雙向晶閘管是由N-P-N-P-N五層半導(dǎo)體材料制成的，對(duì)外也引出三個(gè)電極，其結(jié)構(gòu)如圖所示。雙向晶閘管相當(dāng)于兩個(gè)單向晶閘管的反向并聯(lián)，但只有一個(gè)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(guò)，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(wú)論在陽(yáng)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(gè)觸發(fā)脈沖，也不管這個(gè)脈沖是什么極性的,都可以使雙向晶閘管導(dǎo)通。由于雙向晶閘管在陽(yáng)、陰極間接任何極性的工作電壓都可以實(shí)現(xiàn)觸發(fā)控制，因此雙向晶閘管的主電極也就沒(méi)有陽(yáng)極、陰極之分，通常把這兩個(gè)主電極稱(chēng)為T(mén)1電極和T2電極，將接在P型半導(dǎo)體材料上的主電極稱(chēng)為T(mén)1電極，將接在N型半導(dǎo)體材料上的電極稱(chēng)為T(mén)2電極。由于雙向晶閘管的兩個(gè)主電極沒(méi)有正負(fù)之分，所以它的參數(shù)中也就沒(méi)有正向峰值電壓與反向峰值電壓之分，而只用一個(gè)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。由于雙向晶閘管正、反特性具有對(duì)稱(chēng)性，所以它可在任何一個(gè)方向?qū)?，是一種理想的交流開(kāi)關(guān)器件。

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雙向晶閘管的檢測(cè)方法判定T1極由圖可見(jiàn)，G極與T2極靠近，距T1極較遠(yuǎn)。因此，G—T2之間的正、反向電阻都很小。在用RXlK檔測(cè)任意兩腳之間的電阻時(shí)，只有在G-T2之間呈現(xiàn)低阻，正、反向電阻僅幾十歐，而T1-G、T2-T1之間的正、反向電阻均為無(wú)窮大。這表明，如果測(cè)出某腳和其他兩腳都不通，就肯定是T1極。另外，采用TO—220封裝的雙向晶閘管，T1極通常與小散熱板連通，據(jù)此亦可確定T1極。第11頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.1晶閘管

雙向晶閘管的檢測(cè)方法區(qū)分G極和T2極(1)找出T1極之后，首先假定剩下兩腳中某一腳為T(mén)2極，另一腳為G極。(2)把黑表筆接T2極，紅表筆接T1極，電阻為無(wú)窮大。接著用紅表筆尖把T1與G短路，給G極加上負(fù)觸發(fā)信號(hào)，電阻值應(yīng)為十歐左右，證明管子已經(jīng)導(dǎo)通，導(dǎo)通方向?yàn)門(mén)2一T1。再將紅表筆尖與G極脫開(kāi)(但仍接T1)，若電阻值保持不變，證明管子在觸發(fā)之后能維持導(dǎo)通狀態(tài)。(3)把紅表筆接T2極，黑表筆接T1極，然后使T1與G短路，給G極加上正觸發(fā)信號(hào)，電阻值仍為十歐左右，與G極脫開(kāi)后若阻值不變，則說(shuō)明管子經(jīng)觸發(fā)后，在T1一T2方向上也能維持導(dǎo)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(shí)際不符，需再作出假定，重復(fù)以上測(cè)量。顯見(jiàn)，在識(shí)別G、T2的過(guò)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(cè)量，都不能使雙向晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，證明管于巳損壞。對(duì)于lA的管子，亦可用RXl0檔檢測(cè)，對(duì)于3A及3A以上的管子，應(yīng)選RXlK檔，否則難以維持導(dǎo)通狀態(tài)。

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四、晶閘管的種類(lèi)2、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）是晶閘管的一種派生器件，可以通過(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用第13頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門(mén)極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門(mén)極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)第14頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用下圖所示的雙晶體管模型來(lái)分析。晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管VT1、VT2分別具有共基極電流增益α1和α2。

1+

2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)

1+

2>1時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過(guò)飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)

1+

2<1時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。第15頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）設(shè)計(jì)

2較大，使晶體管VT2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷。（2）導(dǎo)通時(shí)

1+

2更接近1（

1.05，普通晶閘管

1+

2

1.15）,導(dǎo)通時(shí)飽和不深，接近臨界飽和，有利門(mén)極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。（3）多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門(mén)、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門(mén)極抽出較大電流。晶閘管的工作原理GTO能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：第16頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GTO的驅(qū)動(dòng)電路

門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）的導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管相似，可以用正門(mén)極電流開(kāi)通。但在關(guān)斷過(guò)程中，GTO可以采用負(fù)的門(mén)極電流關(guān)斷，這一點(diǎn)與普通晶閘管完全不同。影響關(guān)斷的因素很多，例如陽(yáng)極電流越大越難關(guān)斷，電感負(fù)載較電阻負(fù)載難以關(guān)斷，工作頻率越高、結(jié)溫越高越難以關(guān)斷。所以欲使GTO關(guān)斷，往往需要具有特殊的門(mén)極關(guān)斷功能的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路。第17頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GTO的驅(qū)動(dòng)電路GTO的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路通常包括開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路和門(mén)極反偏電路三部分門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)示意圖及理想的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電流波形1.GTO對(duì)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的基本要求

第18頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GTO的驅(qū)動(dòng)電路門(mén)極開(kāi)通

GTO觸發(fā)導(dǎo)通要求觸發(fā)脈沖信號(hào)具有前沿陡、幅度高、寬度大、后沿緩的脈沖波形；上升沿陡峭的門(mén)極電流脈沖有利于GTO的快速導(dǎo)通，且可保證使所有的GTO元件幾乎同時(shí)導(dǎo)通，且使電流分布趨于均勻，通常要求脈沖前沿為

=5～10；脈沖幅度高可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)觸發(fā)，有利于縮短開(kāi)通時(shí)間，減少開(kāi)通損耗，為此一般要求脈沖幅度為額定直流觸發(fā)電流的4～10倍；脈沖有足夠的寬度可以保證陽(yáng)極電流可靠建立，一般取脈寬為10～60；脈沖后沿盡量平緩可以防止產(chǎn)生振蕩，在開(kāi)通脈沖的尾部出現(xiàn)負(fù)的門(mén)極電流，不利于門(mén)極開(kāi)通。第19頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GTO的驅(qū)動(dòng)電路2）門(mén)極關(guān)斷已導(dǎo)通的GTO靠門(mén)極反向電流來(lái)關(guān)斷，它是GTO應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題；對(duì)門(mén)極關(guān)斷脈沖波形的要求是前沿陡、幅度高、寬度足夠、后沿平緩。前沿陡，可以縮短關(guān)斷時(shí)間，減少關(guān)斷損耗。但前沿不宜過(guò)陡，否則會(huì)使關(guān)斷增益降低，陽(yáng)極尾部電流增加，對(duì)GTO產(chǎn)生不利影響，一般使脈沖電流的上升率為=5～10；為了保證GTO的可靠關(guān)斷，關(guān)斷負(fù)電壓脈沖寬度應(yīng)不小于40μs。關(guān)斷電壓脈沖的后沿應(yīng)盡量平緩，如果坡度太陡，由于結(jié)電容效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)門(mén)極正電流（盡管門(mén)極電壓是負(fù)的），使GTO有開(kāi)通的可能，不利于關(guān)斷。第20頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GTO的驅(qū)動(dòng)電路與普通晶閘管相比，GTO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(yáng)極電壓上升率較高時(shí)可能會(huì)引起誤觸發(fā)?？梢栽O(shè)置一個(gè)門(mén)極反偏電路，在GTO正向阻斷期間于門(mén)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(mén)極反向雪崩電壓，持續(xù)時(shí)間可以是幾十微秒和整個(gè)阻斷狀態(tài)所處的時(shí)間，這樣有利于GTO的安全運(yùn)行。3）門(mén)極反偏第21頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GTO的驅(qū)動(dòng)電路門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路實(shí)例12.門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路實(shí)例1

右圖是一種小容量的GTO門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)時(shí)，由晶體管VT1、VT2組成的極性為左(＋)右(－)；當(dāng)VT3、VT4飽和導(dǎo)通，電容通過(guò)電阻R4、VD1和VT4放電，形成反向門(mén)極的復(fù)合管導(dǎo)通，對(duì)電容充電，形成正向門(mén)極電流，觸發(fā)GTO導(dǎo)通，電容時(shí)，電流，使GTO關(guān)斷。第22頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.1晶閘管

五、晶閘管型號(hào)的命名方法第一部分用字母“K”表示主稱(chēng)為晶閘管第二部分用字母表示晶閘管的類(lèi)別第三部分用數(shù)字表示晶閘管的額定通態(tài)電流值第四部分用數(shù)字表示重復(fù)峰值電壓級(jí)數(shù)第23頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.2場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FieldEffectTransistor縮寫(xiě)(FET)）簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)管。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱(chēng)為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。特點(diǎn):具有輸入電阻高（108～109Ω）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)。作用：場(chǎng)效應(yīng)管可應(yīng)用于放大。由于場(chǎng)效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高，因此耦合電容可以容量較小，不必使用電解電容器。場(chǎng)效應(yīng)管可以用作電子開(kāi)關(guān)。場(chǎng)效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級(jí)放大器的輸入級(jí)作阻抗變換。場(chǎng)效應(yīng)管可以用作可變電阻。場(chǎng)效應(yīng)管可以方便地用作恒流源。第24頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.2場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)管與三極管一樣，具有放大能力。場(chǎng)效應(yīng)管有漏極（D）、柵極（G）和源極（S）。實(shí)驗(yàn)演示第25頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.2場(chǎng)效應(yīng)管

一、結(jié)構(gòu)與工作原理1、結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)管由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成。第26頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.2場(chǎng)效應(yīng)管

一、結(jié)構(gòu)與工作原理2、工作原理：場(chǎng)效應(yīng)管在電路中主要用作放大信號(hào)電壓。當(dāng)在D、S之間加上正向電壓UDS，會(huì)有電流從D極流向S極若在G、S極之間加上反向電壓UGS（P型半導(dǎo)體接低電位，N型半導(dǎo)體接高電位），場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)部的兩個(gè)耗盡層變厚，溝道變窄，由D極流向S極的電流ID就會(huì)變小，反向電壓越高，溝道越窄，ID電流越小。若在G、S極之間加上正向電壓UGS（P型半導(dǎo)體接高電位，N型半導(dǎo)體接低電位），場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)部的兩個(gè)耗盡層導(dǎo)通，耗盡層消失，不管如何增大G、S極的電壓，溝道寬度都不變，ID電流也不變，即無(wú)法控制ID電流。第27頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.2場(chǎng)效應(yīng)管

2、工作原理改變G、S極之間的電壓UGS，就能改變從D極流向S極的電流ID的大小，并且ID電流變化較UGS電壓變化大得多，這就是場(chǎng)效應(yīng)管的放大原理。場(chǎng)效應(yīng)管的放大能力大小用跨導(dǎo)gm表示，即gm反映了柵源電壓UGS對(duì)漏極電流ID的控制能力，是表征場(chǎng)效應(yīng)管放大能力的一個(gè)重要的參數(shù)（相當(dāng)于三級(jí)管的β），gm的單位是西門(mén)子（S），也可以用A/V表示。在正常工作時(shí)，N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管G、S極之間應(yīng)加反向電壓，即UG<US；P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管G、S極之間應(yīng)加正向電壓，即UG>US。第28頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.2場(chǎng)效應(yīng)管

二、主要參數(shù)第29頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.2場(chǎng)效應(yīng)管

三、檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)管的檢測(cè)包括類(lèi)型檢測(cè)及極性檢測(cè)，放大能力檢測(cè)和好壞檢測(cè)。1、類(lèi)型與電極的檢測(cè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極在制作工藝上是對(duì)稱(chēng)的，兩極可互換使用，所以一般不判別漏極和源極（漏源之間的正反向電阻相等，均為幾十至幾千歐姆左右），只判斷柵極和溝道的類(lèi)型。與D、S極連接的半導(dǎo)體類(lèi)型總是相同的，D、S極之間的正反向電阻相等。G極連接的半導(dǎo)體類(lèi)型與D、S極連接的半導(dǎo)體類(lèi)型總是不同的，G極與D、S極之間有PN結(jié)，PN結(jié)的正向電阻小、反向電阻大。第30頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.2場(chǎng)效應(yīng)管

1、類(lèi)型與電極的檢測(cè)判斷：用萬(wàn)用表的RX100檔，測(cè)量場(chǎng)效應(yīng)管任意兩極之間的電阻，正反各測(cè)一次若兩次測(cè)得阻值相同或相近，則這兩極是D、S極，剩下的極為柵極，然后紅表筆不動(dòng)，黑表筆接已判斷出來(lái)的G極。如果阻值很大，此測(cè)得為PN結(jié)的反向電阻，黑表筆接的應(yīng)為N，紅表筆接的應(yīng)為P，所以該管子為P溝道場(chǎng)效應(yīng)管；如果阻值測(cè)得很小，則為N溝道場(chǎng)效應(yīng)管。若兩次測(cè)得的阻值一大一小，則以阻值小的那次為準(zhǔn)，紅表筆不動(dòng)，黑表筆接另一個(gè)極如果阻值仍小，并且與黑表筆換極前測(cè)得的阻值相等或相近，則紅表筆接的為柵極，該管子為N溝道場(chǎng)效應(yīng)管；如果測(cè)得的阻值與黑表筆換極前測(cè)得的阻值有較大的差距，則黑表筆換極前接的極為柵極，該管子為P溝道場(chǎng)效應(yīng)管。第31頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.2場(chǎng)效應(yīng)管

三、檢測(cè)2、放大能力的檢測(cè)萬(wàn)用表?yè)躌X100Ω檔，紅表筆接源極S，黑表筆接漏極D，由于測(cè)量阻值時(shí)萬(wàn)用表內(nèi)接1.5V電池，則相當(dāng)于給場(chǎng)效應(yīng)管D、S極加上一個(gè)正向電壓，然后用手接觸柵極G，將人體的感應(yīng)電壓作為輸入信號(hào)加到柵極上，由于場(chǎng)效應(yīng)管的放大作用，表針會(huì)擺動(dòng)（ID電流變化引起的），表針擺動(dòng)幅度越大，場(chǎng)效應(yīng)管放大能力越大，如果表針不動(dòng)，說(shuō)明場(chǎng)效應(yīng)管已經(jīng)損壞。場(chǎng)效應(yīng)管的檢測(cè)第32頁(yè)，課件共36頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月