《重庆科创职业学院-实验一scr、gto、mosfet》由会员分享，可在线阅读，更多相关《重庆科创职业学院-实验一scr、gto、mosfet（118页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、实验一 SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性实验,指导教师:黄琴、詹星,直流调速,交流调速,一、 实验目的,(1)晶体闸流管的判别 (2)掌握各种电力电子器件的工作特性。 (3)掌握各器件对触发信号的要求。,二、实验所需挂件及附件,实验注意事项,因为晶闸管的门极与阴极之间是一个PN结,所以Ug只有0.7V,在测量Ug时将门极与给定电源取开。,可控硅的特性测试电路联接图,鉴别可控硅,鉴别可控硅三个极的方法很简单，根据P-N结的原理，只要用万用表测量一下三个极之间的电阻值就可以。,鉴别可控硅,阳极与阴极之间的正向和反向电阻在几百千欧以上，阳极和控制极之间的正向和反向电阻在几百千欧以上
2、（它们之间有两个P-N结，而且方向相反，因此阳极和控制极正反向都不通）。,鉴别可控硅,控制极与阴极之间是一个P-N结，因此它的正向电阻大约在几欧-几百欧的范围，反向电阻比正向电阻要大。可是控制极二极管特性是不太理想的，反向不是完全呈阻断状态的，可以有比较大的电流通过，因此，有时测得控制极反向电阻比较小，并不能说明控制极特性不好。另外，在测量控制极正反向电阻时，万用表应放在R*10或R*1挡，防止电压过高控制极反向击穿。,鉴别可控硅,若测得元件阴阳极正反向已短路，或阳极与控制极短路，或控制极与阴极反向短路，或控制极与阴极断路，说明元件已损坏。,（二）、二极管,用数字万用表判断 依据：二极管具有单
3、向导电性。 方法：将功能开关置“ ”处，红表笔为高电位，黑表笔为低电位，两者压差为2. 8V，2.8V作用于二极管上，正向接法时,即使是发光二极管也足以使其导通，显示的是导通电压值，用mV 表示；反向接法时，显示“”表示溢出。具体如下：,红表笔插入“”，黑表笔插入“” 将待测二极管并于两表笔之间，显示的数据若为550mV左右，则表示此二极管为硅材料二极管，且红表笔接的是哪一端为二极管的正极，黑表笔接的一端为二极管的负极。调换表笔则显示“1”，说明被测二极管是好的，否则为坏。 显示的数据为300mV，则表示被测的二极管为锗材料二极管。,（三）、三极管,2、用数字万用表判断 基极的判别： 判断依据
4、：是二极管具有单向电性。判断方法同二极管的判别。 将功能开关置“ ”处，红表笔插入“”，黑表笔插入“”。,NPN：红表笔接假定的“基极”，黑表笔分别假定的“集电极”、“发射极”，两次测量结果都是显示550mV左右；调换表笔，两次测量都显示“1“，则表明红表笔接的是真正的基极，且该管为NPN型硅材料的管子，该管是好的。,PNP：黑表笔接假定的“基极”，红表笔分别接假定的“集电极”、“发射极”，两次测量结果都是显示300mV左右；调换表笔，两次测量都显示“1”，则表明黑表笔接的是真正的基极，且该管为PNP型锗材料的管子，该管是好的。, 集电极、发射极的判别,判别依据：三极管具有电流放大作用。 将功
5、能开关置“hFE”处，根据管型将其插入相应的管座，基极（b）插入b座,假定的集电极（“c”）插入c 座，假定的发射极（“e”）插入e 座，若显示的数据为值，为几十-几百 ,则表明假定的集电极（“c”）是真正的集电极，假定的发射极（“e”）是真正的发射极e；显示的值 很小,则表明此种接法不正确。,场效应管的特性测试,门极可判断可控硅特性测试,功率三极管特性测试,绝缘双极晶体管特性测试,四、实验内容,(1)晶闸管（SCR）特性实验。 (2)可关断晶闸管（GTO）特性实验。 (3)功率场效应管（MOSFET）特性实验。 (4)大功率晶体管（GTR）特性实验。 (5)绝缘双极性晶体管（IGBT）特性实
6、验。,六、思考题,各种器件对触发脉冲要求的异同点？,一、晶闸管的符号及外形,大电流螺旋式,小电流螺旋式,大电流平板式,小电流塑封式,图形符号,可控硅的特性测试电路联接图,实验结论,晶闸管的门极触发信号只有开通功能，没有关断功能。要关断电路只有关掉电源。所以晶闸管是半可控元件。,可判断晶闸管(GTO)的特性测试电路联接图,多余 电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么？,1.由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。,2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,二、P
7、型半导体,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,三、杂质半导体的符号,总 结,2.N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,3.P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,1. 本征半导体中受激产生的电子很少。,PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。,PN结,P 型半导体,N 型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。
8、,P型半导体,N 型半导体,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,1.空间电荷区中没有载流子。,2.空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴.N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3.P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,小结,(1) 加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,PN结的单向导电性,(2) 加反向电压电源正极接N区，
9、负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,半导体二极管,基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,伏安特性,死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。,导通压降: 硅管0.60.7
10、V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,17.1 工作原理,1. 结构,PNPN四层半导体结构,符号,2. 工作原理,等效为由二个三极管组成,T1、T2都导通后，即使去掉UGK， T1、T2仍然导通,(1)阳极A加反向电压，或不加触发信号（即UGK= 0 ）。,可控硅导通的条件： （1）阳极A加正电压 （2）控制极G加正的触发电压,可控硅截止的条件：,(2)可控硅正向导通后，若令其关断，必须减小UAK（或使UAK反向），使可控硅中电流小于某一最小电流IH （ IH称为维持电流）,（1）晶闸管具有单向导电性。,若使其关断，必须降低 UAK 或加大回路电阻，把阳极电流减小到维持电流以下。,正
11、向导通条件：A、K间加正向电压，G、K间加正的触发信号。,晶闸管的工作原理小结,（2）晶闸管一旦导通，控制极便失去作用。,17.2 特性与参数,1. 特性,IG=0时,有IG时,正向,反向,导通后管压降约1V,额定正向平均电流,维持电流,正向特性： 控制极开路时，随UAK的加大，阳极电流逐渐增加。当U = UDSM（正向转折电压）时，晶闸管自动导通。正常工作时， UAK应小于 UDSM 。,反向特性：随反向电压的增加，反向漏电流稍有增加，当 U = URSM （反向击穿电压）时，反向击穿。正常工作时，反向电压必须小于URSM。,4.2 典型全控型器件引言,门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现
12、。 20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。 典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。,4.2 典型全控型器件引言,常用的典型全控型器件,电力MOSFET,IGBT单管及模块,4.2.1 门极可关断晶闸管,晶闸管的一种派生器件。 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,4.2.1 门极可关断晶闸管,结构： 与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。
13、 和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。,图4-3 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号,1）GTO的结构和工作原理,4.2.1 门极可关断晶闸管,工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用图4-14所示的双晶体管模型来分析。,图4-4 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,1+2=1是器件临界导通的条件。,由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2 。,4.2.1 门极可关断晶闸管,GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：,设计2较大，使晶体管V2
14、控 制灵敏，易于GTO。 导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。,图4-5 晶闸管的工作原理,4. 2.1 门极可关断晶闸管,GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。 GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 。,由上述分析我们可以得到以下结论：,4. 2.1 门极可关断晶闸管,开通过程：与普通晶闸管相同 关断过程：与普通晶闸管有所不同 储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。 下降时间tf 尾部时间
15、tt 残存载流子复合。 通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。 门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。,图4-6 GTO的开通和关断过程电流波形,GTO的动态特性,4. 2.1 门极可关断晶闸管,GTO的主要参数, 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。, 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。,（2） 关断时间toff,（1）开通时间ton,不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联 。,许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。,4. 2.1 门极可关断晶闸管
16、,（3）最大可关断阳极电流IATO,（4） 电流关断增益off,off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。,GTO额定电流。,最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。,（4-8）,16.11.1 绝缘栅场效应管,一、结构和电路符号,P型基底,两个N区,SiO2绝缘层,导电沟道,金属铝,N沟道增强型,N 沟道耗尽型,预埋了导电沟道,在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出了沟道.,P 沟道增强型,P 沟道耗尽型,预埋了导电沟道,二、MOS管的工作原理,以N 沟道增强型为例,UGS=0时,对应截止区,UGS0时,UGS足够大时（UGSVT）将P区少子电子聚集到P区表面，形成导电沟道，
