《晶闸管和场效应管》PPT课件.ppt

7 1晶闸管7 2场效应管 第七章晶闸管与场效应管 晶闸管 场效应管与三级管相似 都有三个电极 晶闸管主要当做可控电子开关使用 场效应管主要用来放大信号电压 而三极管主要是放大信号电流 7 1晶闸管 晶闸管又称可控硅 是一个P1N1P2N2四层 具有3个PN结 并引出3个电极的半导体开关器件 它的三个电极 分别是阳极 A 阴极 K 和门极 G 7 1晶闸管 晶闸管又称可控硅 是一个P1N1P2N2四层 具有3个PN结 并引出3个电极的半导体开关器件 它的三个电极 分别是阳极 A 阴极 K 和门极 G 内部结构 7 1晶闸管 一 晶闸管性质1 导通晶闸管 无论A K极之间加什么电压 只要G K极之间没有加正向电压 晶闸管就无法导通 只有A K极之间加正向电压 并且G K极之间也加一定的正向电压 晶闸管才能导通 给晶闸管G极提供电压 让IG电流流入G极 晶闸管A K极之间马上导通 这种现象称为晶闸管的触发导通 晶闸管导通后 撤掉G K极之间的正向电压后晶闸管仍继续导通 2 关闭晶闸管 让流入晶闸管A极的电流减小到某一值IH 维持电流 让A K极之间的正向电压UAK减小到0或加反向电压 实验演示 加上Ig Ib2 Ic2 Ib1 Ic1 7 1晶闸管 二 晶闸管主要参数 7 1晶闸管 三 晶闸管的检测包括极性检测 好坏检测 触发能力检测1 极性检测 7 1晶闸管 三 晶闸管的检测包括极性检测 好坏检测 触发能力检测2 好坏检测 7 1晶闸管 三 晶闸管的检测包括极性检测 好坏检测 触发能力检测3 触发能力检测 7 1晶闸管 四 晶闸管的种类 7 1晶闸管 四 晶闸管的种类1 双向晶闸管双向晶闸管是由N P N P N五层半导体材料制成的 对外也引出三个电极 其结构如图所示 双向晶闸管相当于两个单向晶闸管的反向并联 但只有一个控制极 双向晶闸管与单向晶闸管一样 也具有触发控制特性 不过 它的触发控制特性与单向晶闸管有很大的不同 这就是无论在阳极和阴极间接入何种极性的电压 只要在它的控制极上加上一个触发脉冲 也不管这个脉冲是什么极性的 都可以使双向晶闸管导通 由于双向晶闸管在阳 阴极间接任何极性的工作电压都可以实现触发控制 因此双向晶闸管的主电极也就没有阳极 阴极之分 通常把这两个主电极称为T1电极和T2电极 将接在P型半导体材料上的主电极称为T1电极 将接在N型半导体材料上的电极称为T2电极 由于双向晶闸管的两个主电极没有正负之分 所以它的参数中也就没有正向峰值电压与反向峰值电压之分 而只用一个最大峰值电压 双向晶闸管的其他参数则和单向晶闸管相同 由于双向晶闸管正 反特性具有对称性 所以它可在任何一个方向导通 是一种理想的交流开关器件 7 1晶闸管 双向晶闸管的检测方法判定T1极由图可见 G极与T2极靠近 距T1极较远 因此 G T2之间的正 反向电阻都很小 在用RXlK档测任意两脚之间的电阻时 只有在G T2之间呈现低阻 正 反向电阻仅几十欧 而T1 G T2 T1之间的正 反向电阻均为无穷大 这表明 如果测出某脚和其他两脚都不通 就肯定是T1极 另外 采用TO 220封装的双向晶闸管 T1极通常与小散热板连通 据此亦可确定T1极 7 1晶闸管 双向晶闸管的检测方法区分G极和T2极 1 找出T1极之后 首先假定剩下两脚中某一脚为T2极 另一脚为G极 2 把黑表笔接T2极 红表笔接T1极 电阻为无穷大 接着用红表笔尖把T1与G短路 给G极加上负触发信号 电阻值应为十欧左右 证明管子已经导通 导通方向为T2一T1 再将红表笔尖与G极脱开 但仍接T1 若电阻值保持不变 证明管子在触发之后能维持导通状态 3 把红表笔接T2极 黑表笔接T1极 然后使T1与G短路 给G极加上正触发信号 电阻值仍为十欧左右 与G极脱开后若阻值不变 则说明管子经触发后 在T1一T2方向上也能维持导通状态 因此具有双向触发性质 由此证明上述假定正确 否则是假定与实际不符 需再作出假定 重复以上测量 显见 在识别G T2的过程中 也就检查了双向晶闸管的触发能力 如果按哪种假定去测量 都不能使双向晶闸管触发导通 证明管于巳损坏 对于lA的管子 亦可用RXl0档检测 对于3A及3A以上的管子 应选RXlK档 否则难以维持导通状态 7 1晶闸管 四 晶闸管的种类2 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 Gate Turn OffThyristor GTO 是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 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 和普通晶闸管的不同点 GTO是一种多元的功率集成器件 内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元 这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起 GTO的内部结构和电气图形符号 工作原理 与普通晶闸管一样 可以用下图所示的双晶体管模型来分析 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管VT1 VT2分别具有共基极电流增益 1和 2 1 2 1是器件临界导通的条件 当 1 2 1时 两个等效晶体管过饱和而使器件导通 当 1 2 1时 不能维持饱和导通而关断 1 设计 2较大 使晶体管VT2控制灵敏 易于GTO关断 2 导通时 1 2更接近1 1 05 普通晶闸管 1 2 1 15 导通时饱和不深 接近临界饱和 有利门极控制关断 但导通时管压降增大 3 多元集成结构使GTO元阴极面积很小 门 阴极间距大为缩短 使得P2基区横向电阻很小 能从门极抽出较大电流 晶闸管的工作原理 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 GTO的驱动电路 门极可关断晶闸管 GTO 的导通过程与普通晶闸管相似 可以用正门极电流开通 但在关断过程中 GTO可以采用负的门极电流关断 这一点与普通晶闸管完全不同 影响关断的因素很多 例如阳极电流越大越难关断 电感负载较电阻负载难以关断 工作频率越高 结温越高越难以关断 所以欲使GTO关断 往往需要具有特殊的门极关断功能的门极驱动电路 GTO的驱动电路 GTO的门极驱动电路通常包括开通驱动电路 关断驱动电路和门极反偏电路三部分 门极驱动电路结构示意图及理想的门极驱动电流波形 1 GTO对门极驱动电路的基本要求 GTO的驱动电路 门极开通 GTO触发导通要求触发脉冲信号具有前沿陡 幅度高 宽度大 后沿缓的脉冲波形 上升沿陡峭的门极电流脉冲有利于GTO的快速导通 且可保证使所有的GTO元件几乎同时导通 且使电流分布趋于均匀 通常要求脉冲前沿为 5 10 脉冲幅度高可实现强触发 有利于缩短开通时间 减少开通损耗 为此一般要求脉冲幅度为额定直流触发电流的4 10倍 脉冲有足够的宽度可以保证阳极电流可靠建立 一般取脉宽为10 60 脉冲后沿尽量平缓可以防止产生振荡 在开通脉冲的尾部出现负的门极电流 不利于门极开通 GTO的驱动电路 2 门极关断 已导通的GTO靠门极反向电流来关断 它是GTO应用中的关键问题 对门极关断脉冲波形的要求是前沿陡 幅度高 宽度足够 后沿平缓 前沿陡 可以缩短关断时间 减少关断损耗 但前沿不宜过陡 否则会使关断增益降低 阳极尾部电流增加 对GTO产生不利影响 一般使脉冲电流的上升率为 5 10 为了保证GTO的可靠关断 关断负电压脉冲宽度应不小于40 s 关断电压脉冲的后沿应尽量平缓 如果坡度太陡 由于结电容效应会产生一个门极正电流 尽管门极电压是负的 使GTO有开通的可能 不利于关断 GTO的驱动电路 与普通晶闸管相比 GTO由于结构原因使得其承受电压上升率的能力较差 例如阳极电压上升率较高时可能会引起误触发 可以设置一个门极反偏电路 在GTO正向阻断期间于门极上施加反偏电压 从而提高承受的能力 但反偏电压的幅度必须小于门极反向雪崩电压 持续时间可以是几十微秒和整个阻断状态所处的时间 这样有利于GTO的安全运行 3 门极反偏 GTO的驱动电路 门极驱动电路实例1 2 门极驱动电路实例1 右图是一种小容量的GTO门极驱动电路 当 时 由晶体管VT1 VT2组成 的极性为左 右 当 VT3 VT4饱和导通 电容通过电阻 R4 VD1和VT4放电 形成反向门极 的复合管导通 对电容充电 形成 正向门极电流 触发GTO导通 电容 时 电流 使GTO关断 7 1晶闸管 五 晶闸管型号的命名方法第一部分用字母 K 表示主称为晶闸管第二部分用字母表示晶闸管的类别第三部分用数字表示晶闸管的额定通态电流值第四部分用数字表示重复峰值电压级数 7 2场效应管 场效应晶体管 FieldEffectTransistor缩写 FET 简称场效应管 由多数载流子参与导电 也称为单极型晶体管 它属于电压控制型半导体器件 特点 具有输入电阻高 108 109 噪声小 功耗低 动态范围大 易于集成 没有二次击穿现象 安全工作区域宽等优点 作用 场效应管可应用于放大 由于场效应管放大器的输入阻抗很高 因此耦合电容可以容量较小 不必使用电解电容器 场效应管可以用作电子开关 场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换 常用于多级放大器的输入级作阻抗变换 场效应管可以用作可变电阻 场效应管可以方便地用作恒流源 7 2场效应管 场效应管与三极管一样 具有放大能力 场效应管有漏极 D 栅极 G 和源极 S 实验演示 7 2场效应管 一 结构与工作原理1 结构场效应管由P型半导体和N型半导体组成 7 2场效应管 一 结构与工作原理2 工作原理 场效应管在电路中主要用作放大信号电压 当在D S之间加上正向电压UDS 会有电流从D极流向S极若在G S极之间加上反向电压UGS P型半导体接低电位 N型半导体接高电位 场效应管内部的两个耗尽层变厚 沟道变窄 由D极流向S极的电流ID就会变小 反向电压越高 沟道越窄 ID电流越小 若在G S极之间加上正向电压UGS P型半导体接高电位 N型半导体接低电位 场效应管内部的两个耗尽层导通 耗尽层消失 不管如何增大G S极的电压 沟道宽度都不变 ID电流也不变 即无法控制ID电流 7 2场效应管 2 工作原理改变G S极之间的电压UGS 就能改变从D极流向S极的电流ID的大小 并且ID电流变化较UGS电压变化大得多 这就是场效应管的放大原理 场效应管的放大能力大小用跨导gm表示 即gm反映了栅源电压UGS对漏极电流ID的控制能力 是表征场效应管放大能力的一个重要的参数 相当于三级管的 gm的单位是西门子 S 也可以用A V表示 在正常工作时 N沟道结型场效应管G S极之间应加反向电压 即UGUS 7 2场效应管 二 主要参数 7 2场效应管 三 检测场效应管的检测包括类型检测及极性检测 放大能力检测和好坏检测 1 类型与电极的检测结型场效应管的源极和漏极在制作工艺上是对称的 两极可互换使用 所以一般不判别漏极和源极 漏源之间的正反向电阻相等 均为几十至几千欧姆左右 只判断栅极和沟道的类型 与D S极连接的半导体类型总是相同的 D S极之间的正反向电阻相等 G极连接的半导体类型与D S极连接的半导体类型总是不同的 G极与D S极之间有PN结 PN结的正向电阻小 反向电阻大 7 2场效应管 1 类型与电极的检测判断 用万用表的RX100档 测量场效应管任意两极之间的电阻 正反各测一次若两次测得阻值相同或相近 则这两极是D S极 剩下的极为栅极 然后红表笔不动 黑表笔接已判断出来的G极 如果阻值很大 此测得为PN结的反向电阻 黑表笔接的应为N 红表笔接的应为P 所以该管子为P沟道场效应管 如果阻值测得很小 则为N沟道场效应管 若两次测得的阻值一大一小 则以阻值小的那次为准 红表笔不动 黑表笔接另一个极如果阻值仍小 并且与黑表笔换极前测得的阻值相等或相近 则红表笔接的为栅极 该管子为N沟道场效应管 如果测得的阻值与黑表笔换极前测得的阻值有较大的差距 则黑表笔换极前接的极为栅极 该管子为P沟道场效应管 7 2场效应管 三 检测2 放大能力的检测万用表拨RX100 档 红表笔接源极S 黑表笔接漏极D 由于测量阻值时万用表内接1 5V电池 则相当于给场效应管D S极加上一个正向电压 然后用手接触栅极G 将人体的感应电压作为输入信号加到栅极上 由于场效应管的放大作用 表针会摆动 ID电流变化引起的 表针摆动幅度越大 场效应管放大能力越大 如果表针不动 说明场效应管已经损坏 场效应管的检测 7 2场效应管 三 检测3 好坏检测包括漏源极之间的正反向电阻 栅漏极之间的正反向电阻和栅源极之间的正反向电阻 检测共有六步 只有每步检测都通过才能确定场效应管是正常的 测漏源极之间的正反向电阻时 万用表置于RX10 或RX100 档 测量漏源之间的正反向电阻 正常阻值相等或相近 且在几十至几千欧 若超出这个阻值范围 则可能是漏源之间短路 开路或性能不良 测栅漏极之间或栅源极之间的正反向电阻时 万用表置于RX1K 档 测量时正向电阻小 反向电阻无穷大或接近无穷大 若不符合 则可能是栅漏极或栅源极之间短路 开路或性能不良 7 2场效应管 四 种类除了前面介绍的结型场效应管 JFET