电力电子学_康勇_习题第2章半导体电力开关器件

2.1说明半导体PN结单向导电的基本原理和静态伏-安特性。答：PN结——半导体二极管在正向电压接法下（简称正偏），外加电压所产生的外电场与内电场方向相反，因此PN结的内电场被削弱。内电场所引起的多数载流子的漂移运动被削弱，多数载流子的扩散运动的阻力减小了，扩散运动超过了反方向的漂移运动。大量的多数载流子能不断地扩散越过交界面，P区带正电的空穴向N区扩散，N区带负电的电子向P区扩散。这些载流子在正向电压作用下形成二极管正向电流。二极管导电时，其PN结等效正向电阻很小，管子两端正向电压降仅约1V左右（大电流硅半导体电力二极管超过1V，小电流硅二极管仅0.7V，锗二极管约0.3V）。这时的二极管在电路中相当于一个处于导通状态（通态）的开关。PN结——半导体二极管在反向电压接法下（简称反偏）外加电压所产生的外电场与原内电场方向相同。因此外电场使原内电场更增强。多数载流子（P区的空穴和N区的电子）的扩散运动更难于进行。这时只有受光、热激发而产生的少数载流子（P区的少数载流子电子和N区的少数载流子空穴）在电场力的作用下产生漂移运动。因此反偏时二极管电流极小。在一定的温度下，二极管反向电流在一定的反向电压范围内不随反向电压的升高而增大，为反向饱和电流。因此半导体PN结呈现出单向导电性。其静态伏－安特性曲线如左图曲线①所示。但实际二极管静态伏－安特性为左图的曲线②。二极管正向导电时必须外加电压超过一定的门坎电压（又称死区电压），当外加电压小于死区电压时，外电场还不足以削弱PN结内电场，因此正向电流几乎为零。硅二极管的门坎电压约为0.5V，锗二极管约为0.2V，当外加电压大于后内电场被大大削弱，电流才会迅速上升。二极管外加反向电压时仅在当外加反向电压不超过某一临界击穿电压值时才会使反向电流保持为反向饱和电流。实际二极管的反向饱和电流是很小的。但是当外加反向电压超过后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。答案2.2说明二极管的反向恢复特性。答：由于PN结间存在结电容C，二极管从导通状态（C很大存储电荷多）转到截止阻断状态时，PN结电容存储的电荷并不能立即消失，二极管电压仍为≈1～2V，二极管仍然具有导电性，在反向电压作用下，反向电流从零增加到最大值，反向电流使存储电荷逐渐消失，二极管两端电压降为零。这时二极管才恢复反向阻断电压的能力而处于截止状态，然后在反向电压作用下，仅流过很小的反向饱和电流。因此，二极管正向导电电流为零后它并不能立即具有阻断反向电压的能力，必须再经历一段反向恢复时间后才能恢复其阻断反向电压的能力。答案2.3说明半导体电力三极管BJT处于通态、断态的条件。答：电力三极管BJT处于通态的条件是：注入三极管基极的电流大于基极饱和电流（已知三极管的电流放大系数，有）。这时三极管、导电性很强而处于最小等效电阻、饱和导电状态，可以看作是一个闭合的开关。BJT处于断态的条件是：基极电流为零或是施加负基极电流，即。这时BJT的等效电阻近似为无限大而处于断态。答案2.4电力三极管BJT的四个电压值、、和的定义是什么？其大小关系如何？答：、、和分别为不同基极状态下的三极管集-射极击穿电压值：定义为基极反偏时，三极管集-射极电压击穿值；为基极短接、基极电压为0时，三极管集-射极电压击穿值；为基极接有电阻短路时的集-射极击穿电压值要；为基极开路时集-射极击穿电压值。其大小关系为：。答案2.5说明晶闸管的基本工作原理。在哪些情况下，晶闸管可以从断态转变为通态？已处于通态的晶闸管，撤除其驱动电流为什么不能关断，怎样才能关断晶闸管？答：基本工作原理：见课本p36-37；应回答出承受正向压、门极加驱动电流时的管子内部的正反馈过程，使不断增大，最后使，很大，晶闸管变成通态；撤去门极电流后由于，仍可使很大，保持通态。有多种办法可以使晶闸管从断态转变成通态。常用的办法是门极触发导通和光注入导通。另外正向过电压、高温、高的都可能使晶闸管导通，但这是非正常导通情况。要使晶闸管转入断态，应设法使其阳极电流减小到小于维持电流，通常采用使其阳极A与阴极K之间的电压为零或反向。答案2.6直流电源电压＝220V，经晶闸管T对负载供电。负载电阻R＝20Ω，电感=1H，晶闸管擎住电流=55mA，维持电流=22mA，用一个方波脉冲电流触发晶闸管。试计算：⑴如果负载电阻R＝20Ω，触发脉冲的宽度为300μs，可否使晶闸管可靠地开通？⑵如果晶闸管已处于通态，在电路中增加一个1KΩ的电阻能否使晶闸管从通态转入断态？⑶为什么晶闸管的擎住电流比维持电流大？(1)设晶闸管开通：，由此可解出：当时，，所以可以使晶闸管可靠导通。(2)加入1KΩ电阻后，有，不能使晶闸管由通态转入断态。(3)为什么晶闸管的擎住电流比维持电流大：擎住电流和维持电流都是在撤去门极驱动电流的条件下定义的，因此阳极电流。但维持电流是在通态时考虑的，此时管子已工作在较大电流状态下，管内结温较高，此时的PN结漏电流Io随结温增大，导通能力强，因此必须要降低才能关断晶闸管；而擎住电流是在断态向通态变化时定义的，开始有驱动信号但未完全导通时，晶闸管工作时间短，结温低，PN结漏电流Io不大，导通能力弱，需要较大的阳极电流才能使管子开通。答案2.7额定电流为10A的晶闸管能否承受长期通过15A的直流负载电流而不过热？答：额定电流为10A的晶闸管能够承受长期通过15A的直流负载电流而不过热。因为晶闸管的额定电流是定义的：在环境温度为40℃和规定的散热冷却条件下，晶闸管在电阻性负载的单相、工频正弦半波导电、结温稳定在额定值125℃时，所对应的通态平均电流值。这就意味着晶闸管可以通过任意波形、有效值为1.57的电流，其发热温升正好是允许值，而恒定直流电的平均值与有效值相等，故额定电流为10A的晶闸管通过15.7A的直流负载电流，其发热温升正好是允许值。答案2.8说明GTO的关断原理。答：在GTO的设计制造时，等效晶体管T2的集电极电流分配系数a2较大。当GTO处于通态时，突加一个负触发电流-Ig，使a2减小，1-a2变大，急剧减小，就是阳极电流急剧减小，又导致电流分配系数a2和a1减小，使急剧减小，又使、减小。在这种循环不已的正反馈作用下，最终导致GTO阳极电流减小到维持电流以下，GTO从通态转入断态。改善电力系统的运行特性和运行经济性。这类应用将导致电力系统的革命并推动电力电子技术的继续发展。答案2.9说明P－MOSFET栅极电压控制漏极电流的基本原理。答：当右图中P-MOSFET漏－源极间电压为零、栅－源极之间电压也为零时，N型半导体与P型半导体之间要形成PN结空间电荷区（耗尽层）阻挡层，此时G-S之间和D-S之间都是绝缘的。当漏极D与源极S之间有外加电压时，如果栅极、源极外加电压=0，由于漏极D(N1)与源极S(N2)之间是两个背靠背的PN结(PN1、PN2)，无论是正向电压还是负电压，都有一个PN结反偏，故漏－源极之间也不可能导电。当栅、源极之间外加正向电压＞0时，在G-P之间形成电场，在电场力的作用下P区的电子移近G极，或者说栅极G的正电位吸引P区的电子至邻近栅极的一侧，当增大到超过某一值值时，N1和N2中间地区靠近G极处被G极正电位所吸引的电子数超过该处的空穴数以后，栅极下面原空穴多的P型半导体表面就变成电子数目多的N型半导体表层，栅极下由栅极正电位所形成的这个N型半导体表层感生了大量的电子载流子，形成一个电子浓度很高的沟道（称为N沟道），这个沟道将N1和N2两个N区联在一起，又使N1P这个被反偏的PN结J1消失，成为漏极D和源极S之间的导电沟道，一旦漏－源之间也有正向电压，就会形成漏极电流。在=0时，不能产生电流，=0，仅在增大到=以后，才使G-P之间的外电场增强，形成自由电子导电沟道，才能产生漏极电流，这种改变栅极G和源极S之间外加电压，即可控制漏极电流的作用称为电导调制效应。答2.10作为开关使用时P－MOSFET器件主要的优缺点是什么？案答：作为开关使用时，P－MOSFET器件的优点是：输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高；其缺点是：通态压降大（通态损耗大），电压、电流定额低。答案2.11列表比较BJT、SCR、GTO、P－MOSFET、IGBT、MCT以及SIT七种可控开关器件对触发（或驱动）电流（或电压）波形的要求，及主要优缺点。答：表BJTSCRGTOP–MOSFETIGBTMCTSIT的对器件对触发信号波形的要求开关频率主要优点主要缺点BJT（电流型全控器件）正持续基极电流控制开通；基极电流为0则关断中通态压降小，通态损耗小驱动功率大；频率低SCR（电流型半控器件）正脉冲门极电流控制开通；触发信号不能控制关断低通态压降小，通态损耗小驱动功率大，频率低GTO（电流型全）正脉冲门极电流控制开通；负脉冲门极电流（较大）控制关断低通态压降小，通态损耗小驱动功率大，频率低