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)用第一頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日1．晶閘管的伏安特性

晶閘管的伏安特性如圖2.7.1所示。它表示晶閘管的陽(yáng)極與陰極間的電壓和它的陽(yáng)極電流之間的關(guān)系。通過(guò)特性曲線(xiàn)，可得出晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷的下列結(jié)論。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：（1）晶閘管承受正向電壓（陽(yáng)極電位高于陰極電位）。（2）加上適當(dāng)?shù)恼蜷T(mén)極電壓（門(mén)極電位高于陰極電位）。晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去了控制作用。正因?yàn)槿绱耍чl管的門(mén)極控制信號(hào)只要是正向脈沖電壓就可以了，稱(chēng)之為觸發(fā)電壓或觸發(fā)脈沖。第二頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日要使晶閘管關(guān)斷，必須去掉陽(yáng)極正向電壓，或者給陽(yáng)極加反向電壓，或者降低正向陽(yáng)極電壓，這樣就使通過(guò)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(chēng)為維持電流。當(dāng)門(mén)極沒(méi)有加正向觸發(fā)電壓時(shí)，晶體管即使陽(yáng)極和陰極之間加上正向電壓，一般是不會(huì)導(dǎo)通的。2．晶閘管的主要參數(shù)（1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

。指在門(mén)極開(kāi)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UDRM，管子可能會(huì)失控而自行導(dǎo)通。（2）反向重復(fù)峰值電壓

URRM

。指門(mén)極開(kāi)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URRM時(shí)，管子可能會(huì)被擊穿而損壞。通常把UDRM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。在選用管子時(shí)，額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的2～3倍，以保整電路的工作安全。第三頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日（3）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。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(méi)超過(guò)額定值，但峰值電流將非常大，以致可能超過(guò)管子所能提供的極限。（4）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)通的正弦波半個(gè)周期內(nèi)UAK的平均值，一般在0.4～1.2V。（5）維持電流IH

。指在常溫門(mén)極開(kāi)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IH值從幾十到幾百毫安，視晶閘管電流容量大小而定。（6）門(mén)極觸發(fā)電流IG

。在常溫下，陽(yáng)極電壓為6V時(shí)，使晶閘管能完全導(dǎo)通所需的門(mén)極電流，一般為毫安級(jí)。（7）門(mén)極觸發(fā)電壓UG

。產(chǎn)生門(mén)極觸發(fā)電流所必須的最小門(mén)極電壓，一般為5V左右。第四頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日（9）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(kāi)通時(shí)，有很大的電流集中在門(mén)極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過(guò)熱而損壞晶閘管。3．晶閘管的正確使用

（1）管腳的判別。用萬(wàn)用表R×100W檔，分別測(cè)量各管腳間的正、反向電阻。因?yàn)橹挥虚T(mén)極G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)出兩管腳間呈低阻狀態(tài)，則黑表筆所接為門(mén)極G，紅表筆所接為陰極K，另一端為陽(yáng)極A。（8）斷態(tài)電壓臨界上升率

。在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，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。一般為每微秒幾十伏。第五頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日（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2～３倍的額定電壓值的余量，還應(yīng)有可靠的過(guò)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(guò)的最大平均電流應(yīng)低于額定通態(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)有1.5～２倍的余量及過(guò)電流保護(hù)措施。（5）關(guān)于門(mén)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)UGT和IGT，以保證晶閘管可靠地被觸發(fā)，但也不能超過(guò)允許的極限值。

（2）管子質(zhì)量的判別。用萬(wàn)用表R×100W檔，若測(cè)的以下情況之一，則說(shuō)明管子是壞的。①任兩極間正反向電阻均為零。②A、K間正向電阻為低阻（注意：測(cè)量過(guò)程中黑表筆不要接觸G極）。③各極之間均為高電阻。第六頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.應(yīng)用電路第七頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.2雙向晶閘管

就其功能來(lái)說(shuō)，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。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(mén)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．雙向晶閘管的特性第八頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日（1）第一象限觸發(fā)MT2+、G+。即相對(duì)于電極MT1、MT2的電壓為正；門(mén)極G的觸發(fā)電流為正。（2）第二象限觸發(fā)MT2+、G–。即相對(duì)于電極MT1、MT2的電壓為正；門(mén)極G的觸發(fā)電流為負(fù)。（3）第三象限觸發(fā)

MT2–、G–。即相對(duì)于電極MT1、MT2的電壓為負(fù)；門(mén)極G的觸發(fā)電流為負(fù)。（4）第四象限觸發(fā)

MT2–、G+。即相對(duì)于電極MT1、MT2的電壓為負(fù)；門(mén)極G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

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

。第九頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日光敏電阻應(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(guò)R2放電，可控硅再次截止；電容又被充電，等等.第十頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日可控硅器件的接口第十一頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.3功率場(chǎng)效應(yīng)管

功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的新型半導(dǎo)體電力電子器件。同雙極型晶體管相比，功率MOSFET具有開(kāi)關(guān)速度快、損耗低、驅(qū)動(dòng)電流小、無(wú)二次擊穿現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。目前功率MOSFET越來(lái)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。第十二頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日1．功率MOSFET的基本特點(diǎn)（1）開(kāi)關(guān)速度高。功率MOSFET是一種單極型導(dǎo)電器件，無(wú)固有存儲(chǔ)時(shí)間，其開(kāi)關(guān)速度僅取決于極間寄生電容，故開(kāi)關(guān)時(shí)間很短（小于50～100ns），因而具有更高的工作頻率（100kHz以上）。（2）驅(qū)動(dòng)功率小。功率MOSFET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MOSFET無(wú)二次擊穿現(xiàn)象，因此功率MOSFET較同功率等級(jí)的GTR安全工作區(qū)寬，更穩(wěn)定耐用。（4）過(guò)載能力強(qiáng)。短時(shí)過(guò)載電流一般為額定值的4倍。（5）抗干擾能力強(qiáng)。功率MOSFET的開(kāi)啟電壓一般為2～6V。（6）并聯(lián)容易。功率MOSFET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。第十三頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．功率MOSFET的主要參數(shù)（1）漏極額定電流ID。指漏極允許連續(xù)通過(guò)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件。（2）通態(tài)電阻RDS(ON)。它是功率MOSFET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(guò)高的柵源電壓會(huì)延緩MOSFET的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間，故一般選擇柵源電壓為12V。（3）閥值電壓UGS(th)。指漏極流過(guò)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UGS(th)小一點(diǎn)好，這樣功率MOSFET可以用CMOS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，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。第十四頁(yè)，共十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日（4）漏源擊穿電壓U(BR)DSS。漏源擊穿電壓U(BR)DSS是在UGS=0時(shí)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(guò)這個(gè)電壓。（5）最大耗散功率PD。它表示器件所能承受的最大發(fā)熱功率。一般手冊(cè)中給出的是TC=25℃時(shí)的最大耗散功率。