几种常用的功率器件(电力半导体)与其应用

Chapter3 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（又称可控硅）是一种大功率半导体器件，主 要用于大功率的交直流变换、调压等。晶闸管三个电极分 别用字母A(表示阳极)、K（表示阴极）、G（表示门极）。
阴极 K
1 2
G
控制极
A
3
阳极
1．晶闸管的伏安特性
晶闸管的伏安特性如图2.7.1所示。它表示晶闸管的阳极与阴 极间的电压和它的阳极电流之间的关系。通过特性曲线，可 得出晶闸管导通和关断的下列结论。
du dt。 在额定结温和门极开路的情况下， （8）断态电压临界上升率 不导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。一般为每微秒几 十伏。
di dt 。 在规定条件下，晶闸管能承受的最 （9）通态电流临界上升率 大通态电流上升率。若晶闸管导通电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时， 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。
（2）反向重复峰值电压 URRM 。指门极开路而结温为额定值时，允许重复 加在器件上的反向峰值电压。当加在管子上反向电压大于 URRM时，管子可 能会被击穿而损坏。 通常把UDRM和URRM中较小的那个数值标作晶闸管型号上的额定电压。在选 用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的 2～3倍，以保整电路的工作 安全。
1 3ห้องสมุดไป่ตู้
D 漏极
3
G 2 栅极
4
源极 S
N 沟道
P 沟道
1．功率MOSFET的基本特点 （1）开关速度高。功率MOSFET是一种单极型导电器件，无固有 存储时间，其开关速度仅取决于极间寄生电容，故开关时间很短 （小于50～100ns），因而具有更高的工作频率（100kHz以上）。 （2）驱动功率小。功率MOSFET是一种电压型控制器件，既通、 断均由栅源电压控制。由于栅极与器件主体是电隔离的，故功率 增益高，所需的驱动功率极小，驱动电路简单。 （3）安全工作区域宽。功率MOSFET无二次击穿现象，因此功率 MOSFET较同功率等级的GTR安全工作区宽，更稳定耐用。 （4）过载能力强。短时过载电流一般为额定值的4倍。 （5）抗干扰能力强。功率MOSFET的开启电压一般为2～6V。 （6）并联容易。功率MOSFET的通态电阻具有正温度系数（即通 态电阻值随结温升高而增加），因而在多管并联时易于均流。
（3）晶闸管额定电压的选择。晶闸管实际工作时承受的正常峰值电压应 低于正、反向重复峰值电压UDRM和URRM，并留有2～３倍的额定电压值 的余量，还应有可靠的过电压保护措施。
（4）晶闸管额定电流的选择。晶闸管实际工作通过的最大平均电流应低 于额定通态平均电流ITa，并应根据电流波形的变化进行相应换算，还应 有1.5～２倍的余量及过电流保护措施。 （5）关于门极触发电压和电流的考虑。晶闸管实际触发电压和电流应大 于晶闸管参数UGT和IGT，以保证晶闸管可靠地被触发，但也不能超过允 许的极限值。
3．晶闸管的正确使用
（1）管脚的判别。用万用表R×100W档，分别测量各管脚间的正、反向电阻。 因为只有门极G与阴极K之间正向电阻较小，而其他均为高阻状态，故一旦测出 两管脚间呈低阻状态，则黑表笔所接为门极G，红表笔所接为阴极K，另一端为 阳极A。
（ 2 ）管子质量的判别。用万用表 R×100W 档，若测的以下情况之一， 则说明管子是坏的。①任两极间正反向电阻均为零。②A、K间正向电阻 为低阻（注意：测量过程中黑表笔不要接触 G极）。③各极之间均为高 电阻。
（3）额定正向平均电流 IF 。其定义和二极管的额定整流电流意义相同。 要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期，即使IF值没超 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）正向平均管压降UF 。指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的 正弦波半个周期内UAK的平均值，一般在0.4～1.2V。 （5）维持电流IH 。指在常温门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降到 刚好能保持通态所需要的最小通态电流。一般IH值从几十到几百毫安，视 晶闸管电流容量大小而定。 （6）门极触发电流IG 。在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导 通所需的门极电流，一般为毫安级。 （7）门极触发电压UG 。产生门极触发电流所必须的最小门极电压，一般 为5V左右。
功率场效应管（MOSFET）是20世纪70年代中期发展起来的 新型半导体电力电子器件。同双极型晶体管相比，功率 MOSFET 具有开关速度快、损耗低、驱动电流小、无二次击穿 现象等优点。目前功率 MOSFET越来越受到人们的重视，广泛 应用于高频电源变换、电机调速、高频感应加热等领域。
D 漏极 G1 栅极 源极 S
（4）漏源击穿电压U(BR)DSS。漏源击穿电压U(BR)DSS是在UGS=0时漏极和源 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。
（5）最大耗散功率PD。它表示器件所能承受的最大发热功率。一般手册 中给出的是TC=25℃时的最大耗散功率。
（6）开关时间。td(ON)为开通延时时间，tr为开通上升时间，td(OFF)为关断 延时时间， tf 为下降时间。其中 tON=td(ON)+tr称开通时间， tOFF=td(OFF)+tf 称 关断时间。这些都是表示 MOSFET开关速度的参数，对功率开关器件来 说是非常重要的。
在正常情况下，晶闸管导通的必要条件 有两个，缺一不可： （1）晶闸管承受正向电压（阳极电位高 于阴极电位）。 （2）加上适当的正向门极电压（门极电 位高于阴极电位）。 晶闸管一旦导通，门极就失去了控制作 用。正因为如此，晶闸管的门极控制信 号只要是正向脉冲电压就可以了，称之 为触发电压或触发脉冲。
要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压，或者给阳极加反向电压，或者 降低正向阳极电压，这样就使通过晶闸管的电流降低到一定数值以下。能 保持晶闸管导通的最小电流，称为维持电流。 当门极没有加正向触发电压时，晶体管即使阳极和阴极之间加上正向电压 ，一般是不会导通的。 2．晶闸管的主要参数 （1）断态重复峰值电压UDRM 。指在门极开路而器件的结温为额定值时， 允许重复加在器件上的正向峰值电压。若加在管子上的电压大于UDRM，管 子可能会失控而自行导通。
4. 应用电路
3.2 双向晶闸管
就其功能来说，双向晶闸管可以被认为是一对反并联连接的单向普 通晶闸管。它和单向晶闸管的区别是：第一，它在触发之后是双向导 通的；第二，在门极中所加的触发信号不管是正的还是负的都可以使 双向晶闸管导通。
1．双向晶闸管的特性
电 极2 MT2
N P N P N N 电 极1 电 极1 MT1 G 门 极（ 控 制极 ） 电 极2 门 极（ 控 制极 ） G
当触发二极管导通时，电容通过R2放电，可控硅再次截止； 电容又被充电，等等.
可控硅器件的接口
VCC_CIRCLE
+5V
R1 150
2
1
MOC3021 11
2
74LS07
6
R2
1 2 1
R3 2K
2
Zf
VCC_CIRCLE
330 C 4 0.22uF
2
KS
¡ «220V
VCC_CIRCLE
3.3 功率场效应管
3. 应用电路
2．功率MOSFET的主要参数 （1）漏极额定电流 ID。指漏极允许连续通过的最大电流，在选择器件时 要考虑充分的余量，以防止器件在温度升高时漏极额定电流降低而损坏器 件。 （2）通态电阻RDS(ON)。它是功率MOSFET导通时漏源电压与漏极电流的 比值。通态电阻越大耗散功率越大，越容易损坏器件。通态电阻与栅源电 压有关，随着栅源电压的升高通态电阻值将减少。这样似乎栅源电压越高 越好，但过高的栅源电压会延缓 MOSFET 的开通和关断时间，故一般选 择栅源电压为12V。 （ 3 ）阀值电压 UGS(th) 。指漏极流过一个特定量的电流所需的最小栅源控 制电压。有人认为阀值电压 UGS(th) 小一点好，这样功率 MOSFET 可以用 CMOS或TTL等低电压电路驱动。但是太小的阀值电压抗干扰能力差，驱 动信号的噪声干扰会引起MOSFET的误导通，影响它的正常工作。
（4）第四象限触发 MT2–、G+。即相对于电极MT1、MT2 的电压为负； 门极G的触发电流为正。
双向晶闸管的最高触发灵敏度在第一、三象限，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 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 。
光敏电阻应用电路：光控闪烁安全警示灯
2
3 1
MT2
MT1
（1）第一象限触发 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）第二象限触发 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）第三象限触发 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。