物理基礎(chǔ)名師優(yōu)質(zhì)課賽課一等獎市公開課獲獎?wù)n件

2.2器件物理基礎(chǔ)與晶閘管額定參數(shù)

(第三講)第1頁

2.2.1慣用開關(guān)器件及分類

(1)器件及分類(2)型號命名法(3)器件額定值2.2.2pnpn器件導(dǎo)通物理過程

(1)晶閘管結(jié)構(gòu)及等效電路

(2)導(dǎo)通物理過程(3)導(dǎo)通機制內(nèi)容提要第2頁2.2.1慣用開關(guān)器件及分類按照器件被控程度，分為以下三類：不可控器件(PowerDiode)——不需用控制信號來控制其通斷。半控型器件(相控Thyristor等)——經(jīng)過控制信號能夠控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件(IGBT,MOSFET等)——經(jīng)過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。(1)器件及分類第3頁

按照驅(qū)動電路信號性質(zhì)，分為兩類：電流驅(qū)動型(雙極型器件)——經(jīng)過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷器件。電壓驅(qū)動型(MOS柵器件)——僅經(jīng)過在控制端和公共端之間施加一定電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷器件。2.2.1慣用開關(guān)器件及分類第4頁2.2.1慣用開關(guān)器件及分類按照器件關(guān)斷方式可分為：換流關(guān)斷型(Thyristor)——利用施加反向電壓使電流反向而實現(xiàn)器件關(guān)斷。自關(guān)斷型(功率晶體管、GTO、電壓型器件)——僅經(jīng)過在控制端和公共端之間施加一正電壓信號實現(xiàn)導(dǎo)通，施加一負(fù)電壓信號實現(xiàn)關(guān)斷器件。第5頁2.2.1慣用開關(guān)器件及分類按照器件觸發(fā)方式可分為：電觸發(fā)型(Thyristor、MOS器件)

——門極用電信號來觸發(fā)使其開通器件。光觸發(fā)型(LTT)

——用光直接來觸發(fā)使其開通器件。熱觸發(fā)型(溫控晶閘管)

——當(dāng)溫度到達某一值，熱激發(fā)使之開通器件。第6頁2.2.1慣用開關(guān)器件及分類慣用主要功率器件二極管(整流/雪崩/快恢復(fù)/軟恢復(fù)/浪涌保護/肖特基…)晶閘管相控晶閘管PhaseControlledThyristor雙向晶閘管BidirectionalTriodeThyristor

(TriodeACSwitch——TRIAC)逆變晶閘管InverseThyristor逆導(dǎo)晶閘管ReverseConductingThyristor光控晶閘管LightTriggeredThyristorGTOGate-Turn-OffThyristor

IGCTIntegratedGate-CommutatedThyristorIGBT

(MOSFET類)

InsulatedGateBipolarTransistor

IEGT

InjectionEnhancedGateTransistor

組合器件(IPM)IntelligentPower

Module(SOP/SOC/MCM/IPEM)第7頁2.2.1慣用開關(guān)器件及分類(2)型號命名法(國產(chǎn)器件)拼音符號額定電流ZK1%峰值電壓 P—普通、K—快速、S—雙向、N—逆導(dǎo)、Q—汽車、B—雪崩、L—光觸發(fā)….例:ZK1000-8表示額定平均正向電流1000A，反向阻斷電壓800VKS200-12表示額定電流（有效值）200A，斷態(tài)阻斷電壓1200V注意：電流—平均值（KS除外）電壓—峰值—第8頁2.2.1慣用開關(guān)器件及分類(3)晶閘管額定參數(shù)電壓額定值斷態(tài)重復(fù)峰值電壓VDRM

(Max.rep.peakdirectvoltage)——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓VRRM

(Max.rep.peakreversevoltage)——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上反向峰值電壓。通態(tài)（峰值）電壓VT——晶閘管通以某一要求倍數(shù)額定通態(tài)平均電流時瞬態(tài)峰值電壓。

第9頁第10頁2.2.1慣用開關(guān)器件及分類電流額定值通態(tài)平均電流IT(AV）——允許流過工頻正弦半波電流在一周期平均值。維持電流IH（HoldingCurrent)——維持晶閘管導(dǎo)通所必需最小陽極電流(通→斷)。擎住電流IL

(LatchingCurrent)——晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL＞IH。浪涌電流ITSM(Surge

Current)——指因為電路異常情況引發(fā)并使結(jié)溫超出額定結(jié)溫不重復(fù)性最大正向過載電流。第11頁2.2.1慣用開關(guān)器件及分類門極額定值門極觸發(fā)電流IG——晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)最小門極電流。門極觸發(fā)電壓VG——指產(chǎn)生門極觸發(fā)電流所需最小門極電壓。第12頁2.2.1慣用開關(guān)器件及分類動態(tài)參數(shù)斷態(tài)電壓臨界上升率dV/dt

——指在額定結(jié)溫和門極開路和正向阻斷條件下，器件在單位時間內(nèi)所允許上升正向電壓。

通態(tài)電流臨界上升率di/dt——指在要求條件下，晶閘管開通時在單位時間內(nèi)所允許上升最大電流。第13頁2.2.2pnpn器件導(dǎo)通物理過程

(1)晶閘管結(jié)構(gòu)及等效電路四層：PNPN三端:A、K、G三結(jié)：J1、J2、J3基本結(jié)構(gòu)摻雜濃度分布第14頁2.2.2pnpn器件導(dǎo)通物理過程等效電路正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM伏－安特征第15頁2.2.2pnpn器件導(dǎo)通物理過程晶閘管導(dǎo)通需具備兩個條件：

正向偏置；G、K間有“＋”信號。晶閘管關(guān)斷亦需具備兩個條件：陽極電壓反向或過零；流過A、K間電流小于IH以下。第16頁第17頁2.2.2pnpn器件導(dǎo)通物理過程螺栓型晶閘管平板型晶閘管外形第18頁2.2.2pnpn器件導(dǎo)通物理過程先討論四層兩端器件正向偏置pnpn四層兩端器件含有兩個特點：①含有通態(tài)和斷態(tài)兩個穩(wěn)定狀態(tài)；②有負(fù)阻現(xiàn)象。反偏PN結(jié)是怎樣變?yōu)檎?？?2)導(dǎo)通物理過程第19頁2.2.2pnpn器件導(dǎo)通物理過程雪崩區(qū)：當(dāng)外加電壓上升到靠近J2結(jié)擊穿電壓VB時，空間電荷區(qū)內(nèi)電場變得很大，引發(fā)雪崩倍增。反向產(chǎn)生電流經(jīng)過勢壘區(qū)由碰撞電離而增加M倍。經(jīng)過J2結(jié)電流由原來反向電流轉(zhuǎn)變?yōu)橛蒍1、J3結(jié)注入載流子經(jīng)過基區(qū)后衰減而又在勢壘區(qū)倍增了電流。

斷態(tài)區(qū)：當(dāng)外加正向電壓V<<J2結(jié)雪崩電壓，復(fù)合與補充維持電中性。只有小電流流過J2結(jié)，類似二極管反向特征。第20頁2.2.2pnpn器件導(dǎo)通物理過程V較小時，M→1；當(dāng)V→VB時，M急劇增加；當(dāng)電流放大系數(shù)與雪崩倍增因子積等于1時，所對應(yīng)外加電壓即為轉(zhuǎn)折電壓VB0。第21頁2.2.2pnpn器件導(dǎo)通物理過程負(fù)阻區(qū)：當(dāng)外加電壓大于轉(zhuǎn)折電壓時，勢壘區(qū)內(nèi)雪崩倍增產(chǎn)生大量電子空穴對，這些載流子受反向電場抽取作用，電子進入n1區(qū)，空穴進入p2區(qū)。因為不能很快復(fù)合，將使J2結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生載流子積累，即p2區(qū)有空穴積累，n1區(qū)有電子積累以賠償離化雜質(zhì)，使空間電荷區(qū)變薄。p2區(qū)電位升高，n1區(qū)電下降。降落在J2結(jié)上電壓減小，雪崩倍增減弱，J1、J3結(jié)注入增強，從而出現(xiàn)電壓減小、電流增強負(fù)阻現(xiàn)象。第22頁2.2.2pnpn器件導(dǎo)通物理過程通態(tài)區(qū)：因為上述積累增加，J2結(jié)電壓下降直至M=1雪崩倍增停頓時，仍能維持使p2區(qū)相對n1區(qū)為正，J2結(jié)倒向，三個結(jié)均處于正向，有類似二極管正向特征。反向阻斷區(qū)：反向電壓由J1結(jié)負(fù)擔(dān)，與單個pn結(jié)反向特征相同。第23頁2.2.2pnpn器件導(dǎo)通物理過程(3)導(dǎo)通機制由等效電路，pnp晶體管基極電流為

npn晶體管集電極電流為

因且則有得到開通條件為：

第24頁2.2.2pnpn器件導(dǎo)通物理過程P2區(qū)有空穴積累，即由物理機制：亦得到：開通條件為：

第25頁2.2.2pnpn器件導(dǎo)通物理過程晶閘管觸發(fā)機構(gòu):用各種使增大方法來實現(xiàn)器件開通:門極電流觸發(fā);熱觸發(fā);陽極電壓觸發(fā);觸發(fā);光觸發(fā).第26頁晶閘管正常工作時特征總結(jié)以下：承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管電流降到靠近于零某一數(shù)值以下。第27頁題例:

(1)圖示電路,晶閘管IL=15mA，要使晶閘管導(dǎo)通，門