第十七讲开关器件电力电子技术 教案.doc

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1、课 题第十七讲 开关器件目 的与要 求1 GTR的结构和工作原理2 MOSFET的结构和工作原理3 开关器件的驱动保护4 GTR、MOSFET的主要参数重 点1 GTR的结构和工作原理2 MOSFET的结构和工作原理难 点GTR、MOSFET的驱动和保护教 具复 习提 问1、SCR结构和工作原理2、GTO的结构和工作原理新知识点考查布置作业课后回忆备注教员党智乾教研室主任批阅系部审查意见任务一 开关器件开关器件有许多，经常使用的是场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT），在小功率开关电源上也使用大功率晶体管（GTR）。本模块介绍GTR和MOSFET两种开关器件，IGBT在模

2、块六中介绍。一、大功率晶体管1.大功率晶体管的结构和工作原理（1）基本结构。通常把集电极最大允许耗散功率在1 W以上，或最大集电极电流在1 A以上的晶体管称为大功率晶体管（GTR），其结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。它由三层半导体、两个PN结组成，有PNP和NPN两种结构，其电流由两种载流子（电子和空穴）的运动形成，所以称为双极型晶体管。图4-4（a）是NPN型GTR的内部结构，电气图形符号如图4-4（b）所示。大多数GTR是用三重扩散法制成的，或者在集电极高掺杂的N+硅衬底上用外延生长法生长一层N漂移层，然后在上面扩散P基区，接着扩散掺杂的N+发射区。 (a)GTR的结构 (b）电气

3、图形符号 (c）内部载流子的流动图4-4 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子流动2.GTR的特性与主要参数（1）GTR的基本特性。静态特性。共发射极接法时，GTR的典型输出特性如图4-6所示，可分为以下三个工作区。截止区。在截止区内，Ib0，Ube0，Ubc0，集电极只有漏电流流过。放大区。Ib0，Ube0，Ubc0，Ic=Ib。饱和区。，Ube0，Ubc0。Ics是集电极饱和电流，其值由外电路决定。两个PN结都为正向偏置。饱和时集电极、发射极间的管压降Uces很小，相当于开关接通，这时尽管电流很大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临界饱和，若Ib继续增加，则为过饱和。用作开关时，应工作

4、在深度饱和状态，这有利于降低Uces和减小导通时的损耗。图4-6 GTR共发射极接法的输出特性动态特性。动态特性描述GTR开关过程的瞬态性能，又称开关特性。GTR在实际应用中，通常工作在频繁开关状态。为正确、有效地使用GTR，应了解其开关特性。图4-7所示为GTR开关特性的基极、集电极电流波形。整个工作过程分为开通过程、导通状态、关断过程和阻断状态4个不同的阶段。图中，开通时间ton对应着GTR由截止到饱和的开通过程，关断时间toff对应着GTR由饱和到截止的关断过程。GTR的开通过程是从t0时刻起注入基极驱动电流，这时并不能立刻产生集电极电流。过一小段时间后，集电极电流开始上升，逐渐增至饱和

5、电流值Ics。把ic达到10%Ics的时刻定为t1，达到90%Ics的时刻定为t2，则把t0到t1这段时间称为延迟时间，以td表示；把t1到t2这段时间称为上升时间，以tr表示。3.GTR的二次击穿和安全工作区（1）二次击穿问题。实践表明，GTR即使工作在最大耗散功率范围内，仍有可能突然损坏，其一般是由二次击穿引起的。二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一个重要因素。二次击穿是由于集电极电压升高到一定值（未达到极限值）时，发生雪崩效应造成的。理论上，只要功耗不超过极限值，管子是可以承受的，但在实际使用中，出现负阻效应，Ie进一步剧增。由于管子结面的缺陷、结构参数的不均匀，使局部电流密度剧增，形成

6、恶性循环，使管子损坏。二次击穿在纳秒到微秒之间完成，由于管子的材料、工艺等因素的分散性，二次击穿难以计算和预测。防止二次击穿的办法如下。应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多。必须有电压电流缓冲保护措施。（2） 安全工作区。4.GTR的驱动与保护（1）GTR基极驱动电路。对基极驱动电路的要求。由于GTR主电路电压较高，控制电路电压较低，所以应实现主电路与控制电路间的电隔离。在使GTR导通时，基极正向驱动电流应有足够陡的前沿，并有一定幅度的强制电流，以加速开通过程，减小开通损耗，如图4-9所示。GTR导通期间，在任何负载下，基极电流都应使GTR处在临界饱和状态，这样既可降低导通饱和压降，又可

7、缩短关断时间。在使GTR关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流（如图4-9波形所示），以加快关断速度，减小关段损耗。应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能。图4-9 GTR基极驱动电流波形基极驱动电路。图4-10是一个简单实用的GTR驱动电路。该电路采用正、负双电源供电。当输入信号为高电平时，晶体管V1、V2和V3导通，而V4截止，这时V5就导通。二极管VD3可以保证GTR导通时工作在临界饱和状态。流过二极管VD3的电流随GTR的临界饱和程度而改变，自动调节基极电流。当输入低电平时，V1、V2、V3截止，而V4导通，这就给GTR的基极一个负电流，使GTR截止。在V4导通期间，GTR的基极-

8、发射极一直处于负偏置状态，这就避免了反向电流的通过，从而防止同一桥臂另一个GTR导通产生过电流。图4-10 实用的GTR驱动电路教 二、功率场效应晶体管功率场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）与GTR相比，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。它的缺点是电压还不能太高，电流容量也不能太大，所以目前只适用于小功率电力电子变流装置。1.功率MOSFET的结构及工作原理（1）结构。功率场效应晶体管是压控型器件，其门极控制信号是电压。它的三个极分别是栅极G、源极S和漏极D。功率场效应晶体管有

9、N沟道和P沟道两种。N沟道中的载流子是电子，P沟道中的载流子是空穴，都是多数载流子。其中，每一类又可分为增强型和耗尽型两种。耗尽型就是当栅源电压UGS=0时存在导电沟道，漏极电流ID0；增强型就是当UGS=0时没有导电沟道，ID=0，只有当UGS0（N沟道）或UGS0（P沟道）时才开始有ID。功率MOSFET绝大多数是N沟道增强型。N沟道和P沟道MOSFET的电气图形符号如图4-12所示。（a）功率MOSFET的结构 （b）电气图形符号图4-12 功率MOSFET的结构和电气图形符号2.功率MOSFET的特性与参数（1）功率MOSFET的特性。转移特性。ID和UGS的关系曲线反映了输入电压和输

10、出电流的关系，称为MOSFET的转移特性，如图4-14（a）所示。从图中可知，UGS较小时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为MOSFET的跨导，即MOSFET是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。（a）转移特性 （b）输出特性图4-14 电力MOSFET的转移特性和输出特性输出特性。图4-14(b）是MOSFET的漏极伏安特性，即输出特性。从图中可以看出，MOSFET有三个工作区。截止区。UGSUT，ID=0，这和电力晶体管的截止区相对应。饱和区。UGSUT，UDSUGSUT。当UGS不变时，ID几乎不随UDS的增加而增加，近似为一常数，故称饱和区。这里的饱和区并不和电力晶体管的饱和区对应，而对应于后者的放大区。当用做线性放大时，MOSFET工作在该区。课后小结：1 GTR的结构和工作原理（重点）2 MOSFET的结构和工作原理（重点）3 开关器件的驱动保护（难点）4 GTR、MOSFET的主要参数（重点）