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1、Chapter3 几种常用的功率器件（电力半导体）及其应用几种常用的功率器件（电力半导体）及其应用3.1 普通晶闸管普通晶闸管普普通通晶晶闸闸管管（又又称称可可控控硅硅）是是一一种种大大功功率率半半导导体体器器件件，主主要要用用于于大大功功率率的的交交直直流流变变换换、调调压压等等。晶晶闸闸管管三三个个电电极极分分别用字母别用字母A(表示阳极表示阳极)、K（表示阴极）、（表示阴极）、G（表示门极）。（表示门极）。几种常用的功率器件电力半导体及其应用1晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 晶晶闸闸管管的的伏伏安安特特性性如如图图2.7.1所所示示。它它表表示示晶晶闸闸管管的的阳阳极极与与阴阴极极间间
2、的的电电压压和和它它的的阳阳极极电电流流之之间间的的关关系系。通通过过特特性性曲曲线线，可可得出晶闸管导通和关断的下列结论。得出晶闸管导通和关断的下列结论。在在正正常常情情况况下下，晶晶闸闸管管导导通通的的必必要要条条件件有两个，缺一不可：有两个，缺一不可：（1）晶晶闸闸管管承承受受正正向向电电压压（阳阳极极电电位位高高于阴极电位）。于阴极电位）。（2）加加上上适适当当的的正正向向门门极极电电压压（门门极极电电位高于阴极电位）。位高于阴极电位）。晶晶闸闸管管一一旦旦导导通通，门门极极就就失失去去了了控控制制作作用用。正正因因为为如如此此，晶晶闸闸管管的的门门极极控控制制信信号号只只要要是是正正
3、向向脉脉冲冲电电压压就就可可以以了了，称称之之为触发电压或触发脉冲。为触发电压或触发脉冲。几种常用的功率器件电力半导体及其应用要要使使晶晶闸闸管管关关断断，必必须须去去掉掉阳阳极极正正向向电电压压，或或者者给给阳阳极极加加反反向向电电压压，或或者者降降低低正正向向阳阳极极电电压压，这这样样就就使使通通过过晶晶闸闸管管的的电电流流降降低低到到一一定定数数值值以以下下。能能保持晶闸管导通的最小电流，称为维持电流。保持晶闸管导通的最小电流，称为维持电流。当当门门极极没没有有加加正正向向触触发发电电压压时时，晶晶体体管管即即使使阳阳极极和和阴阴极极之之间间加加上上正正向向电电压压，一般是不会导通的。一
4、般是不会导通的。2晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数（1）断断态态重重复复峰峰值值电电压压UDRM 。指指在在门门极极开开路路而而器器件件的的结结温温为为额额定定值值时时，允允许许重重复复加加在在器器件件上上的的正正向向峰峰值值电电压压。若若加加在在管管子子上上的的电电压压大大于于UDRM，管管子可能会失控而自行导通。子可能会失控而自行导通。（2）反反向向重重复复峰峰值值电电压压 URRM 。指指门门极极开开路路而而结结温温为为额额定定值值时时，允允许许重重复复加加在在器器件件上上的的反反向向峰峰值值电电压压。当当加加在在管管子子上上反反向向电电压压大大于于URRM时时，管管子子可可能会被击穿而
5、损坏。能会被击穿而损坏。通通常常把把UDRM和和URRM中中较较小小的的那那个个数数值值标标作作晶晶闸闸管管型型号号上上的的额额定定电电压压。在在选选用用管管子子时时，额额定定电电压压应应为为正正常常工工作作峰峰值值电电压压的的23倍倍，以以保保整整电电路路的的工工作作安全。安全。几种常用的功率器件电力半导体及其应用（3）额额定定正正向向平平均均电电流流 IF 。其其定定义义和和二二极极管管的的额额定定整整流流电电流流意意义义相相同同。要要注注意意的的是是若若晶晶闸闸管管的的导导通通时时间间远远小小于于正正弦弦波波的的半半个个周周期期，即即使使IF值值没没超超过额定值，但峰值电流将非常大，以致
6、可能超过管子所能提供的极限。过额定值，但峰值电流将非常大，以致可能超过管子所能提供的极限。（4）正正向向平平均均管管压压降降UF 。指指在在规规定定的的工工作作温温度度条条件件下下，使使晶晶闸闸管管导导通通的的正弦波半个周期内正弦波半个周期内UAK的平均值，一般在的平均值，一般在0.41.2V。（5）维维持持电电流流IH 。指指在在常常温温门门极极开开路路时时，晶晶闸闸管管从从较较大大的的通通态态电电流流降降到到刚刚好好能能保保持持通通态态所所需需要要的的最最小小通通态态电电流流。一一般般IH值值从从几几十十到到几几百百毫毫安安，视视晶闸管电流容量大小而定。晶闸管电流容量大小而定。（6）门门极
7、极触触发发电电流流IG 。在在常常温温下下，阳阳极极电电压压为为6V时时，使使晶晶闸闸管管能能完完全全导导通所需的门极电流，一般为毫安级。通所需的门极电流，一般为毫安级。（7）门门极极触触发发电电压压UG 。产产生生门门极极触触发发电电流流所所必必须须的的最最小小门门极极电电压压，一一般般为为5V左右。左右。几种常用的功率器件电力半导体及其应用（9）通通态态电电流流临临界界上上升升率率 。 在在规规定定条条件件下下，晶晶闸闸管管能能承承受受的的最最大大通通态态电电流流上上升升率率。若若晶晶闸闸管管导导通通电电流流上上升升太太快快，则则会会在在晶晶闸闸管管刚刚开开通通时时，有很大的电流集中在门极
8、附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。3晶闸管的正确使用晶闸管的正确使用 （1）管管脚脚的的判判别别。用用万万用用表表R100W W档档，分分别别测测量量各各管管脚脚间间的的正正、反反向向电电阻阻。因因为为只只有有门门极极G与与阴阴极极K之之间间正正向向电电阻阻较较小小，而而其其他他均均为为高高阻阻状状态态，故故一一旦旦测测出出两两管管脚脚间间呈呈低低阻阻状状态态，则则黑黑表表笔笔所所接接为为门门极极G，红红表表笔笔所所接接为为阴阴极极K，另另一一端端为为阳极阳极A。（8）断断态态电电压压临临界界上上升升率率 。 在在
9、额额定定结结温温和和门门极极开开路路的的情情况况下下，不不导导致致晶晶闸闸管管从从断断态态到到通通态态转转换换的的最最大大正正向向电电压压上上升升率率。一一般般为为每每微微秒秒几几十伏。十伏。几种常用的功率器件电力半导体及其应用（3）晶晶闸闸管管额额定定电电压压的的选选择择。晶晶闸闸管管实实际际工工作作时时承承受受的的正正常常峰峰值值电电压压应应低低于于正正、反反向向重重复复峰峰值值电电压压UDRM和和URRM，并并留留有有2倍倍的的额额定定电电压压值值的余量，还应有可靠的过电压保护措施。的余量，还应有可靠的过电压保护措施。（4）晶晶闸闸管管额额定定电电流流的的选选择择。晶晶闸闸管管实实际际工
10、工作作通通过过的的最最大大平平均均电电流流应应低低于于额额定定通通态态平平均均电电流流ITa，并并应应根根据据电电流流波波形形的的变变化化进进行行相相应应换换算算，还还应应有有1.5倍的余量及过电流保护措施。倍的余量及过电流保护措施。（5）关关于于门门极极触触发发电电压压和和电电流流的的考考虑虑。晶晶闸闸管管实实际际触触发发电电压压和和电电流流应应大大于于晶晶闸闸管管参参数数UGT和和IGT，以以保保证证晶晶闸闸管管可可靠靠地地被被触触发发，但但也也不不能能超超过过允允许的极限值。许的极限值。 （2）管管子子质质量量的的判判别别。用用万万用用表表R100W W档档，若若测测的的以以下下情情况况
11、之之一一，则则说说明明管管子子是是坏坏的的。任任两两极极间间正正反反向向电电阻阻均均为为零零。A、K间间正正向向电电阻阻为为低低阻阻（注注意意：测测量量过过程程中中黑黑表表笔笔不不要要接接触触G极极）。各各极极之之间间均均为为高高电阻。电阻。几种常用的功率器件电力半导体及其应用4. 应用电路应用电路几种常用的功率器件电力半导体及其应用3.2 双向晶闸管双向晶闸管 就就其其功功能能来来说说，双双向向晶晶闸闸管管可可以以被被认认为为是是一一对对反反并并联联连连接接的的单单向向普普通通晶晶闸闸管管。它它和和单单向向晶晶闸闸管管的的区区别别是是：第第一一，它它在在触触发发之之后后是是双双向向导导通通的
12、的；第第二二，在在门门极极中中所所加加的的触触发发信信号号不不管管是是正正的的还还是是负负的的都都可可以以使使双双向晶闸管导通。向晶闸管导通。1双向晶闸管的特性双向晶闸管的特性几种常用的功率器件电力半导体及其应用（1）第第一一象象限限触触发发MT2+、G+。即相对于电极MT1、MT2的电压为正；门极G的触发电流为正。（2）第第二二象象限限触触发发MT2+、G。即相对于电极MT1、MT2 的电压为正；门极G的触发电流为负。（3）第第三三象象限限触触发发 MT2、G。即相对于电极MT1、MT2的电压为负；门极G的触发电流为负。（4）第第四四象象限限触触发发 MT2、G+。即相对于电极MT1、MT2
13、 的电压为负；门极G的触发电流为正。双向晶闸管的最高触发灵敏度在第第一一、三三象象限限，而在第二、四象限比较差。故在实际应用中常采用第一、第三象限触发方式。2. 应用电路应用电路 双向晶闸管主要用于电机控制、电磁阀控制、调温及调光控制等方面 。几种常用的功率器件电力半导体及其应用光敏电阻应用电路：光控闪烁安全警示灯光敏电阻应用电路：光控闪烁安全警示灯当触发二极管导通时，电容通过当触发二极管导通时，电容通过R2放电，可控硅再次截止；放电，可控硅再次截止；电容又被充电，等等电容又被充电，等等.几种常用的功率器件电力半导体及其应用可控硅器件的接口可控硅器件的接口几种常用的功率器件电力半导体及其应用3
14、.3 功率场效应管功率场效应管 功功率率场场效效应应管管（MOSFET）是是20世世纪纪70年年代代中中期期发发展展起起来来的的新新型型半半导导体体电电力力电电子子器器件件。同同双双极极型型晶晶体体管管相相比比，功功率率MOSFET具具有有开开关关速速度度快快、损损耗耗低低、驱驱动动电电流流小小、无无二二次次击击穿穿现现象象等等优优点点。目目前前功功率率MOSFET越越来来越越受受到到人人们们的的重重视视，广广泛泛应用于高频电源变换、电机调速、高频感应加热等领域。应用于高频电源变换、电机调速、高频感应加热等领域。几种常用的功率器件电力半导体及其应用1功率功率MOSFET的基本特点的基本特点（1
15、）开开关关速速度度高高。功功率率MOSFET是是一一种种单单极极型型导导电电器器件件，无无固固有有存存储储时时间间，其其开开关关速速度度仅仅取取决决于于极极间间寄寄生生电电容容，故故开开关关时时间间很很短短（小于（小于50100ns），因而具有更高的工作频率（），因而具有更高的工作频率（100kHz以上）。以上）。（2）驱驱动动功功率率小小。功功率率MOSFET是是一一种种电电压压型型控控制制器器件件，既既通通、断断均均由由栅栅源源电电压压控控制制。由由于于栅栅极极与与器器件件主主体体是是电电隔隔离离的的，故故功功率率增增益高，所需的驱动功率极小，驱动电路简单。益高，所需的驱动功率极小，驱动电
16、路简单。（3）安安全全工工作作区区域域宽宽。功功率率MOSFET无无二二次次击击穿穿现现象象，因因此此功功率率MOSFET较同功率等级的较同功率等级的GTR安全工作区宽，更稳定耐用。安全工作区宽，更稳定耐用。（4）过载能力强。）过载能力强。短时过载电流一般为额定值的短时过载电流一般为额定值的4倍。倍。（5）抗干扰能力强。）抗干扰能力强。功率功率MOSFET的开启电压一般为的开启电压一般为26V。（6）并并联联容容易易。功功率率MOSFET的的通通态态电电阻阻具具有有正正温温度度系系数数（即即通通态电阻值随结温升高而增加），因而在多管并联时易于均流。态电阻值随结温升高而增加），因而在多管并联时易
17、于均流。几种常用的功率器件电力半导体及其应用2功率功率MOSFET的主要参数的主要参数（1）漏漏极极额额定定电电流流ID。指指漏漏极极允允许许连连续续通通过过的的最最大大电电流流，在在选选择择器器件件时时要要考考虑虑充充分分的的余余量量，以以防防止止器器件件在在温温度度升升高高时时漏漏极极额额定定电电流流降降低低而而损损坏坏器器件。件。（2）通通态态电电阻阻RDS(ON)。它它是是功功率率MOSFET导导通通时时漏漏源源电电压压与与漏漏极极电电流流的的比比值值。通通态态电电阻阻越越大大耗耗散散功功率率越越大大，越越容容易易损损坏坏器器件件。通通态态电电阻阻与与栅栅源源电电压压有有关关，随随着着
18、栅栅源源电电压压的的升升高高通通态态电电阻阻值值将将减减少少。这这样样似似乎乎栅栅源源电电压压越越高高越越好好，但但过过高高的的栅栅源源电电压压会会延延缓缓MOSFET的的开开通通和和关关断断时时间间，故故一一般般选选择择栅源电压为栅源电压为12V。（3）阀阀值值电电压压UGS(th)。指指漏漏极极流流过过一一个个特特定定量量的的电电流流所所需需的的最最小小栅栅源源控控制制电电压压。有有人人认认为为阀阀值值电电压压UGS(th)小小一一点点好好，这这样样功功率率MOSFET可可以以用用CMOS或或TTL等等低低电电压压电电路路驱驱动动。但但是是太太小小的的阀阀值值电电压压抗抗干干扰扰能能力力差
19、差，驱驱动信号的噪声干扰会引起动信号的噪声干扰会引起MOSFET的误导通，影响它的正常工作。的误导通，影响它的正常工作。几种常用的功率器件电力半导体及其应用（4）漏漏源源击击穿穿电电压压U(BR)DSS。漏漏源源击击穿穿电电压压U(BR)DSS是是在在UGS=0时时漏漏极极和和源源极所能承受的最大电压。功率极所能承受的最大电压。功率MOSFET在工作时绝对不能超过这个电压。在工作时绝对不能超过这个电压。（5）最最大大耗耗散散功功率率PD。它它表表示示器器件件所所能能承承受受的的最最大大发发热热功功率率。一一般般手手册册中给出的是中给出的是TC=25时的最大耗散功率。时的最大耗散功率。（6）开开关关时时间间。td(ON)为为开开通通延延时时时时间间，tr为为开开通通上上升升时时间间，td(OFF)为为关关断断延延时时时时间间，tf为为下下降降时时间间。其其中中tON=td(ON)+tr称称开开通通时时间间，tOFF=td(OFF)+tf称称关关断断时时间间。这这些些都都是是表表示示MOSFET开开关关速速度度的的参参数数，对对功功率率开开关关器器件件来来说是非常重要的。说是非常重要的。3. 应用电路应用电路几种常用的功率器件电力半导体及其应用
