重庆科创职业学院-实验一 SCR、GTO、MOSFET

1、实验一 SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性实验指导教师指导教师:黄琴、詹星黄琴、詹星电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验电力电子技术电力电子技术重庆科创职业

2、学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验直流调速UUVUUWUVWUUNUVNUWN电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验交流调速UUVUUWUVWUUNUVNUWN电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验一、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)

3、掌握各器件对触发信号的要求。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验二、实验所需挂件及附件序号序号型号型号备注备注1 1DK08 DK08 给定及实验器给定及实验器件件Ug=015V可调可调UAK=24V2 2DK09 DK09 新器件特性实新器件特性实验验SCR、GTO、MOSFET、IGBT 、GTR 。3 3DK11 DK11 单相调压与可单相调压与可调负载调负载45 =90并904 4万用表万用表DT9205电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新

4、器件特性实验实验注意事项 因为晶闸管的门极与阴极之间是一个因为晶闸管的门极与阴极之间是一个PN结结,所以所以Ug只有只有0.7V,在测量在测量Ug时将门极与给时将门极与给定电源取开。定电源取开。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验可控硅的特性测试电路联接图电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验鉴别可控硅鉴别可控硅 鉴别可控硅三个极的方法很简单，根据P-N结的原理原理，只要用万用表测量一下三个极之间的电阻值就可以。 电力电子技术电力电子技术

5、重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验鉴别可控硅鉴别可控硅 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（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）。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验鉴别可控硅鉴别可控硅 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

6、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。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验鉴别可控硅鉴别可控硅 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。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验（二）、二极管（二）、二极管 用数字万用表判断用数字万用表判断 依据：二极管具有单向

7、导电性。依据：二极管具有单向导电性。 方法：将功能开关置方法：将功能开关置“ ”处，红表笔为高电处，红表笔为高电位，黑表笔为低电位，两者压差为位，黑表笔为低电位，两者压差为2. 8V，2.8V作用于二极管上，正向接法时作用于二极管上，正向接法时,即使是发即使是发光二极管也足以使其导通，显示的是导通电压光二极管也足以使其导通，显示的是导通电压值，用值，用mV 表示；反向接法时，显示表示；反向接法时，显示“”表表示溢出。具体如下：示溢出。具体如下： 电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验 红表笔插入红表笔插入“”，黑表笔

8、插入，黑表笔插入“” 将待测二极管并于两表笔之间，显示的数将待测二极管并于两表笔之间，显示的数据若为据若为550mV左右，则表示此二极管为左右，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。调换表笔则显示的负极。调换表笔则显示“1”，说明被测，说明被测二极管是好的，否则为坏。二极管是好的，否则为坏。 显示的数据为显示的数据为300mV，则表示被测的二，则表示被测的二极管为锗材料二极管。极管为锗材料二极管。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气

9、工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验（三）、三极管（三）、三极管 2、用数字万用表判断、用数字万用表判断 基极的判别：基极的判别： 判断依据：是二极管具有单向电性。判断方法同判断依据：是二极管具有单向电性。判断方法同二极管的判别。二极管的判别。 将功能开关置将功能开关置“ ”处，红表笔插入处，红表笔插入“”，黑表笔插入黑表笔插入“”。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验 NPN：红表笔接假定的：红表笔接假定的“基极基极”，黑表笔，黑表笔分别假定的分别假定的“集电极集电极”、“发射极发射极”，两次，两次测量

10、结果都是显示测量结果都是显示550mV左右；调换表笔，左右；调换表笔，两次测量都显示两次测量都显示“1“，则表明红表笔接的，则表明红表笔接的是真正的基极，且该管为是真正的基极，且该管为NPN型硅材料的型硅材料的管子，该管是好的。管子，该管是好的。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验 PNP：黑表笔接假定的：黑表笔接假定的“基极基极”，红表笔，红表笔分别接假定的分别接假定的“集电极集电极”、“发射极发射极”，两，两次测量结果都是显示次测量结果都是显示300mV左右；调换表左右；调换表笔，两次测量都显示笔，两次测量都显

11、示“1”，则表明黑表笔，则表明黑表笔接的是真正的基极，且该管为接的是真正的基极，且该管为PNP型锗材型锗材料的管子，该管是好的。料的管子，该管是好的。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验 集电极、发射极的判别 判别依据：三极管具有电流放大作用。判别依据：三极管具有电流放大作用。 将功能开关置将功能开关置“hFE”处，根据管型将其插处，根据管型将其插入相应的管座，基极（入相应的管座，基极（b）插入）插入b座座,假定的假定的集电极（集电极（“c”）插入）插入c 座，假定的发射极座，假定的发射极（“e”）插入）插入e 座

12、，若显示的数据为座，若显示的数据为值，值，为几十为几十-几百几百 ,则表明假定的集电极则表明假定的集电极（“c”）是真正的集电极，假定的发射极）是真正的集电极，假定的发射极（“e”）是真正的发射极）是真正的发射极e；显示的；显示的值值 很很小小,则表明此种接法不正确。则表明此种接法不正确。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验场效应管的特性测试电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验门极可判断可控硅特性测试电力电子技术电力电子技术重庆科创职业

13、学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验功率三极管特性测试电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验绝缘双极晶体管特性测试电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验四、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）特性实验。电力电子技术电力电子技术重庆科

14、创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验六、思考题 各种器件对触发脉冲要求的异同点？电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验大电流螺大电流螺旋式旋式小电流小电流螺旋式螺旋式大电流大电流平板式平板式小电流小电流塑封式塑封式图形图形符号符号电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验U Ug g(V)(V)0V0.5V 开通开通 V 0.5V撤消撤消I Id d（mAmA）U Uv v (V)(V)可控硅的

15、特性测试电路联接图电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验实验结论 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。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验项目项目不不加加触触发发信信号号开通开通关断关断0+0+开通开通开通开通后后去除去除U Ug gUg-Ug-关断U Ug g(V)(V) 00.3 0.61.00-5-10I Id dU Uv v可判断晶闸管可判断晶闸管(GTO)的特性测试电路

16、联接图的特性测试电路联接图电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验+4+4+4+4+5+5+4+4多余多余电子电子磷原子磷原子N N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么？么？1.1.由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。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，自掺杂浓度远大于本

17、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。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验二、二、P P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子

18、形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。的带负电的离子。+4+4+4+4+3+3+4+4空穴空穴硼原子硼原子P P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验三、杂质半导体的符号三、杂质半导体的符号P P 型半导体型半导体+N N 型半导体型半导体电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业

19、学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验总总 结结2.N2.N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，的电子，N N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也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，起导电作用的主能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。3.3.P P型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。1. 1. 本征半导体中受激产生的电子很少。本征半导体中受激产生的电子很少。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业

20、学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验PN PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P P 型半导型半导体和体和N N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了交界面处就形成了PN PN 结。结。PN结结电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验P P 型半导体型半导体N N 型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐

21、加宽。荷区逐渐加宽。内电场越强，漂移运动内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电越强，而漂移使空间电荷区变薄。荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验漂移运动漂移运动P P型半导体型半导体N N 型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，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。度固定不变。电力电子技术电力电

22、子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区电位电位VV0电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验1.1.空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。2.2.空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P P区区中的空穴中的空穴. .N N区区 中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散扩散运动运动）。）。3.3.P P 区中的电子和区中的电子和 N N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少），）

23、，数量有限，因此由它们形成的电流很小。数量有限，因此由它们形成的电流很小。小结小结电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验(1) 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流 PNPN结的单向导电性结的单向导电性

24、电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验(2) (2) 加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N N区，负极接区，负极接P P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场外电场加强内电场耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I R R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRP PN N 在一定的温度下，在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓由本征激发产生的少子浓度是一定的，故度是一定的，故I IR R基本上与基

25、本上与外加反压的大小无关外加反压的大小无关，所所以称为以称为反向饱和电流反向饱和电流。但。但I IR R与温度有关。与温度有关。 电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验 PN PN结加正向电压时，具有较大的正结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，向扩散电流，呈现低电阻， PNPN结导通；结导通； PNPN结加反向电压时，具有很小的反结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，向漂移电流，呈现高电阻， PNPN结截止。结截止。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单向结具有单向导电性

26、。导电性。半导体二极管半导体二极管基本结构基本结构PN PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN结结面接触型面接触型PN二极管的电路符号：二极管的电路符号：阳极阳极+阴极阴极-电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验伏安特性伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBR电力电子技术电力电子技术重庆科

27、创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验17.1 工作原理工作原理1. 结构结构P1P2N1N2四四 层层 半半 导导 体体K（阴极）（阴极）G（控制极）（控制极）A（阳极）（阳极）PNPN四层半导体结构四层半导体结构三三 个个 PN结结电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验符号符号AKGGKP1P2N1N2APPNNNPAGK2. 工作原理工作原理阳极阳极

28、阴极阴极控制极控制极电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验APPNNNPGKigigigKAGT1T2等效为由二个三极等效为由二个三极管组成管组成UGKUAKT1、T2都导通后，即使去掉都导通后，即使去掉UGK， T1、T2仍然导通仍然导通RL(1)阳极阳极A加反向电压，加反向电压，或不加或不加触发信号（即触发信号（即UGK= 0 ）。）。可控硅导通的条件：可控硅导通的条件：（1）阳极）阳极A加正电压加正电压 （2）控制极）控制极G加正的触发电压加正的触发电压可控硅截止的条件：可控硅截止的条件：(2)可控硅正向导通后

29、，若令其关可控硅正向导通后，若令其关断，必须减小断，必须减小UAK（或使（或使UAK反反向），使可控硅中电流小于某向），使可控硅中电流小于某一最小电流一最小电流IH （ IH称为维持电称为维持电流）流）AigigigKGT1T2UAKRLUGKAKG（1）晶闸管具有单向导电性。）晶闸管具有单向导电性。若使其关断，必须降低若使其关断，必须降低 UAK 或加或加大回路电阻，把阳极电流减小到大回路电阻，把阳极电流减小到维持电流以下。维持电流以下。正向导通条件：正向导通条件：A、K间加正向电间加正向电压，压，G、K间加正的触发信号。间加正的触发信号。晶闸管的工作原理小结晶闸管的工作原理小结（2）晶闸管

30、一旦导通，控制极便失去作用。）晶闸管一旦导通，控制极便失去作用。17.2 特性与参数特性与参数1. 特性特性UIIHIFIG=0时时有有IG时时正向正向反向反向U - 阳极、阴极间的电压阳极、阴极间的电压 I - 阳极电流阳极电流UDSM正向转折电压正向转折电压截止截止导通导通导通后管压降约导通后管压降约1V额定正向额定正向平均电流平均电流维持电流维持电流URSM反向击穿电压反向击穿电压电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验正向特性：正向特性： 控制极开路时，随控制极开路时，随UAK的加大，阳极的加大，阳极电流逐渐增

31、加。当电流逐渐增加。当U = UDSM（正向转折电压）正向转折电压）时，晶闸管自动导通。正常工作时，时，晶闸管自动导通。正常工作时， UAK应应小于小于 UDSM 。反向特性：反向特性：随反向电压的增加，反向漏电流稍随反向电压的增加，反向漏电流稍有增加，当有增加，当 U = URSM （反向击穿反向击穿电压）电压）时，时，反向击穿。正常工作时，反向电压必须小于反向击穿。正常工作时，反向电压必须小于URSM。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程

32、系http:/新器件特性实验新器件特性实验4.2 典型全控型器件典型全控型器件引言引言门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。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。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验4.2 典型全控型器件典型全控型器件引言引言常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性

33、实验4.2.1 门极可关断晶闸门极可关断晶闸管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。门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)c)AGK4.2.1 门极可关断晶门极可关断晶闸管闸管结构结构：与普通晶闸管的相同点相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸

34、管的不同点不同点：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的结构和工作原理的结构和工作原理电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验4.2.1 门极可关断晶闸门极可关断晶闸管管工作原理工作原理：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。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图4-4 晶闸管的双晶体管模型及其工作

35、原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件临界导通的条件。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 1和 2 2 。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验4.2.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区区别别：设计2较大，使晶体管V2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。 RN PN

36、PN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)图4-5 晶闸管的工作原理电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验4. 2.1 门极可关断晶闸门极可关断晶闸管管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结论：电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验4. 2.1 门极可关

37、门极可关断晶闸管断晶闸管开通过程开通过程：与普通晶闸管相同关断过程关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间下降时间tf 尾部时间尾部时间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。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图4-6 GTO的开通和关断过程电流波形2) GTO的动态特性的动态特性电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验4. 2.1 门极可关断晶闸门极可关断晶闸管管3

38、) GTO的主要参数的主要参数 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） 关断时间关断时间toff（1）开通时间开通时间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。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验4. 2.1 门极可关断门极可关断晶闸管晶闸管（3）最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流

39、IATO（4） 电流关断增益电流关断增益 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）GMATOoffII电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验16.11.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管一、结构和电路符号一、结构和电路符号PNNGS

40、DP型基底型基底两个两个N区区SiO2绝缘层绝缘层导电沟道导电沟道金属铝金属铝GSDN沟道增强型沟道增强型电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验N 沟道耗尽型沟道耗尽型PNNGSD预埋了导预埋了导电沟道电沟道 GSD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.电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验NPPGSDGSDP 沟道增强型沟道增强型电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重

41、庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验P 沟道耗尽型沟道耗尽型NPPGSDGSD预埋了导预埋了导电沟道电沟道 电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验二、二、MOSMOS管的工作原理管的工作原理以以N 沟道增强型为例沟道增强型为例PNNGSDUDSUGSUGS=0时时D-S 间相当于间相当于两个反接的两个反接的PN结结ID=0对应截止区对应截止区电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验PNNGSDUDSUGSUGS0时

42、时UGS足够大时足够大时（UGSVT）将）将P区少子电子聚集区少子电子聚集到到P区表面，形区表面，形成导电沟道，如成导电沟道，如果此时加有漏源果此时加有漏源电压，就可以形电压，就可以形成漏极电流成漏极电流id。感应出电子感应出电子VT称为阈值电压称为阈值电压电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验UGS较小时，导较小时，导电沟道相当于电电沟道相当于电阻将阻将D-S连接起连接起来，来，UGS越大此越大此电阻越小。电阻越小。PNNGSDUDSUGS电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系

43、http:/新器件特性实验新器件特性实验i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGSuDS(V)Di(mA)10V12341432(V)uGS246UTiD=f(uGS) uDS=常数常数三、增强型三、增强型N N沟道沟道MOSMOS管的特性曲线管的特性曲线输出特性曲线输出特性曲线转移特性曲线转移特性曲线电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验 一个重要参数一个重要参数跨导跨导gm gm= iD/ uGS uDS=const gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。的大小反映了栅源电压对漏极电流的

44、控制作用。 在转移特性曲线上，在转移特性曲线上， gm为的曲线的斜率。为的曲线的斜率。 在输出特性曲线上也可求出在输出特性曲线上也可求出gm。1(mA)DSu=6V=3VuuGS(V)1D624i43=5V(mA)243iDGS210V(V)uGSiDGSuiD电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管的基本特性管的基本特性u uGSGS U UT T，管子截止，管子截止u uGSGS U UT T，管子导通，管子导通u uGSGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越大，沟道越宽，

45、在相同的漏源电压u uDSDS作用下，漏极电流作用下，漏极电流I ID D越大越大电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验四、耗尽型四、耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线耗尽型的耗尽型的MOS管管UGS=0时就有导电沟道，加反向时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。电压才能夹断。转移特性曲线转移特性曲线0IDUGSVT电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验输出特性曲线输出特性曲线IDU DS0UGS=0UGS0电力电子技术电力电子技

46、术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验4.2.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力MOSFET的结构的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图4-11 电力MOSFET的结构和电气图形符号电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验4.2.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管小功率MOS管是横向导电器件

47、。电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的V V M O S F E T 和 具 有 垂 直 导 电 双 扩 散 M O S 结 构 的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。电力电力MOSFET的结构的结构电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验4.2.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管截止截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。

48、P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19电力电力MOSFET的工作原理的工作原理图4-12 电力MOSFET的结构和电气图形符号电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验4.2.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 (1) 静态特性静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的

49、关系称为MOSFET的转移特性转移特性。ID较大时，ID与与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导跨导Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图4-13 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性2）电力）电力MOSFET的基本特性的基本特性电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验4.2.3 电力场效应晶

50、体管电力场效应晶体管截止区截止区（对应于GTR的截止区）饱和区饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区非饱和区（对应GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。图4-14电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=

51、7VUGS=8VID/A电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验4.2.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管开通过程开通过程开通延迟时间开通延迟时间td(on) 上升时间上升时间tr开通时间开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间td(off)下降时间下降时间tf关断时间关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和a ）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图4-15 电力MOSFET的开关过程a)

52、测试电路 b) 开关过程波形up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流(2) 动态特性动态特性电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验4.2.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率

53、。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。MOSFET的开关速度的开关速度电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验4.2.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管3) 电力电力MOSFET的主要参数的主要参数 电力MOSFET电压定额(1) 漏极电压漏极电压UDS (2) 漏极直流电流漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM电力MOSFET电流定额(3) 栅源电压栅源电压UGS UGS20V将导致绝缘层击穿 。 除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有： (4) 极间电容

54、极间电容极间电容CGS、CGD和CDS电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验基本结构基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型半导体三极管半导体三极管电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄

55、，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极发射结发射结集电结集电结电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验BECIBIEICNPN型三极管型三极管BECIBIEICPNP型三极管型三极管符号符号电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验I

56、B=IBE-ICBO IBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验一一.输入特性输入特性UCE 1VIB( A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：工作压降： 硅管硅管UBE 0.60.7V,锗管锗管UBE 0.20.3V。UCE=0VUCE =0.5V 死区电死区电压，硅管压，硅管0.5V，锗，锗管管0.1V。特性曲线特性曲线电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特

57、性实验新器件特性实验二、二、输出特性输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域满此区域满足足IC= IB称为线性称为线性区（放大区（放大区）。区）。当当UCE大于一大于一定的数值时，定的数值时，IC只与只与IB有关，有关，IC= IB。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中UCE UBE,集电结正偏，集电结正偏， IBIC，UCE 0.3V称为

58、饱和区。称为饱和区。电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE I IC C，U UCECE 0.3V0.3V (3) (3) 截止区：截止区： U UBEBE I IC C，U UCECE 0.3V0.3V (3) (3) 截止区：截止区： U UBEBE 死区电压，死区电压， I IB B=0 =0 ， I IC C= =I ICEOCEO 0 0 电力电子技术电力电子技

59、术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验4. 2.2 电力晶体管电力晶体管在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为（4-9） GTR的电流放大系数电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力 。当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 ic= ib +Iceo （4-10）单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。bcii空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理电力电子技术电

60、力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新器件特性实验新器件特性实验4. 2.2 电力晶体管电力晶体管 (1) 静态特性静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区截止区、放大区放大区和饱和区饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。3）GTR的主要参数的主要参数电力电子技术电力电子技术重庆科创职业学院电气工程系重庆科创职业学院电气工程系http:/新