电路和电子技术第4章电源技术

SiO2结构示意图5.5.1绝缘栅场效应管的基本结构P型硅衬底源极S栅极G漏极D5.5绝缘栅型场效应管衬底引线BN+N+DBSG符号1.N沟道增强型场效应管分为增强型和耗尽型，导电沟道分为P沟道和N沟道。N沟道载流子为电子，P沟道载流子为空穴。SiO2结构示意图5.5.1绝缘栅场效应管的基本结构N型硅衬底源极S栅极G漏极D5.5绝缘栅型场效应管衬底引线BP+P+DBSG符号2.P沟道增强型结构示意图P型硅衬底源极S漏极D栅极G衬底引线B耗尽层3.N沟道耗尽型N+N+正离子N型沟道SiO2DBSG符号制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子，形成原始导电沟道。GDBS符号P沟道耗尽型N沟道耗尽型SiO2结构示意图P型硅衬底耗尽层衬底引线BN+N+SGDUDSID=0D与S之间是两个PN结反向串联，无论D与S之间加什么极性的电压，总有一个PN结是反向偏置，漏极电流均接近于零。5.5.2场效应管的工作原理(1)UGS=01.增强型NMOS管P型硅衬底N++BSGD。耗尽层ID=0(2)0UGSUGS(th)由柵极指向衬底方向的电场使空穴向下移动,电子向上移动,在P型硅衬底的上表面形成耗尽层。仍然没有漏极电流。UGSN+N+UDS1.增强型NMOS管UGS(th)：使NMOS管导通的开启电压。P型硅衬底N++BSGD。UDS耗尽层ID栅极下P型半导体表面形成N型导电沟道，当D、S加上正向电压后可产生漏极电流ID。(3)UGSUGS(th)N型导电沟道N+N+UGS1.增强型NMOS管通过控制UGS来控制导电沟道的宽度，从而控制电流ID。N型硅衬底N++BSGD。耗尽层PMOS管结构示意图P沟道PMOS管与NMOS管互为对偶关系，使用时UGS、UDS的极性也与NMOS管相反。P+P+UGSUDSID2.增强型PMOS管3.耗尽型绝缘栅场效应管夹断电压UGS(off)为正值，UGSUGS(off)时导通。导电沟道在管子制成后就已存在，在漏源极加正向电压，就会有漏极电流ID，对于耗尽型NMOS管：当UGS0时，导电沟道变宽；UGS0时导电沟道变窄。为了使UGS能从ID=0开始控制ID的大小，应使UGS0，使ID=0的UGS称为夹断电压UGS(off)。UGSUGS(off)时管子导通，夹断电压UGS(off)为负值。对于耗尽型PMOS管：4321051015UGS=5V6V4V3V2VID/mA增强型NMOS管的特性曲线0123饱和区击穿区可变电阻区246UGS/V5.5.3场效应管的特性曲线UGs(th)输出特性转移特性ID/mA（1）可变电阻区：UGS不变，ID与UDS成正比，漏源之间相当于一个受UGS电压控制的可变电阻。夹断区4321051015UGS=5V6V4V3V2VID/mA增强型NMOS管的特性曲线0123饱和区击穿区可变电阻区246UGS/VUGs(th)输出特性转移特性ID/mA（2）饱和区（放大区）：UDS大于一定值，ID几乎不随UDS变化，ID受UGS的控制。相当于电压控制电流源。夹断区4321051015UGS=5V6V4V3V2VID/mA增强型NMOS管的特性曲线0123饱和区击穿区可变电阻区246UGS/VUGs(th)输出特性转移特性ID/mA（3）击穿区：UDS过大，ID急剧增加。夹断区（4）夹断区：UGSUGS(th)，场效应管截止，ID=04321051015UGS=5V6V4V3V2VID/mA增强型NMOS管的特性曲线0123饱和区击穿区可变电阻区246UGS/VUGs(th)输出特性转移特性ID/mA转移特性：常数DS)(GSDUUfI栅极对漏极电流的控制作用，场效应管是电压控制器件。夹断区5.5.4场效应管的微变等效电路SiO2P型硅衬底源极S栅极G漏极D衬底引线BN+N+DBSG符号绝缘栅型场效应管的栅源之间为一层绝缘物质，即使在栅源之间加入电压，栅源之间也没有电流，管子的输入电阻很高，认为栅源之间开路。5.5.4场效应管的微变等效电路DBSG符号场效应管工作在饱和区，表现出恒流特性，漏极电流的变化量ID与栅、源极间的电压变化量UGS成比例变化，即gsmdGSmDugiUgI＝或场效应管小信号的微变等效电路gmugsidugs++udsDGS输出回路可等效为电压控制的受控电流源。场效应管小信号的微变等效电路如图所示在UDS=0时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。5.5.5绝缘栅场效应管的主要参数1.开启电压UGS(th)指在一定的UDS下，开始出现漏极电流所需的栅源电压。它是增强型MOS管的参数，NMOS为正，PMOS为负。2.夹断电压UGS(off)指在一定的UDS下，使漏极电流近似等于零时所需的栅源电压。是耗尽型MOS管的参数，NMOS管是负值，PMOS管是正值。3.直流输入电阻RGS（DC）4.低频跨导gmUDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压的微变量之比称为跨导,即另外，漏源极间的击穿电压U(BR)DS、栅源极间的击穿电压U(BR)GS以及漏极最大耗散功率PDM是管子的极限参数，使用时不可超过。gm=ID/UGSUGS=常数跨导是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。5.6电力半导体器件电力半导体器件是用来进行电能转换，功率控制与处理的核心器件。它与前面介绍的半导体器件不同，一方面它必须要有高电压，大电流的承受能力，另一方面必须以开关模式运行。电力半导体器件有很多种类和不同的分类方式，按照开通、关断控制方式可分为三大类：（1）不控型。这是一类两个极的器件，一端是正极，另一端是负极，其开通和关断由两个极所加电压来决定，常见的有大功率二极管、快速恢复二极管等。（2）半控型。这类器件是三个极的器件，除了正负极外，还有一个控制极，它的开通可以通过控制极控制，但不能通过控制极控制关断。这类器件主要有晶闸管。5.6电力半导体器件（3）全控型。这类器件也是三个极的器件，控制极不仅可以控制其开通，而且也能控制其关断，这类器件是电力半导体器件的主导方向，代表这类器件有控制极可关断晶闸管GTO，双极型大功率晶体管BJT，绝缘栅型双极晶体管IGBT等。晶闸管又称可控硅（SCR），是一种大功率半导体器件，主要用于整流、逆变电路中，具有体积小，耐压高的特点。5.6.1晶闸管1.晶闸管的基本结构及工作原理晶闸管结构示意图及符号P1P2N1N2J1J2J3KAGGAKTIA晶闸管是一个PNPN四层结构的半导体器件，有三个PN结J1、J2、J3，引出三个极，分别为阳极A，阴极K，控制极G。工作原理：当晶闸管阳极A与阴极K两端加正向电压（uAK0），J2结处于反向偏置状态，器件A、K两端仍不导通，这种状态称为正向阻断状态。P1P2N1N2J1J2J3KAG当在晶闸管阳极A与阴极K两端加反向电压（uAK0），J1、J3结处于反向偏置状态，器件A、K两端不导通，这种状态称为反向阻断状态。工作原理：并且即使电压uG消失，晶闸管仍可保持导通。因此控制极的作用只是使晶闸管触发导通，导通后控制极就失去了控制用。晶闸管导通时，阳极与阴极之间的正向压降一般为0.6~1.2V。在这种情况下若在晶闸管的控制极G与阴极K间加一个正向电压uG，又称触发电压，且uG0，这个触发电压使晶闸管A、K两端导通，晶闸管一旦导通，就显示出了与二极管类似的正向特性。P1P2N1N2J1J2J3KAG若要关断晶闸管，可减小阳极电流IA到维持电流IH以下，使它由导通状态变为正向阻断状态而关断；或在阳极与阴极之间加反向电压，使其由导通状态变为反向阻断状态而关断。综上所述，晶闸管的导通条件为：在阳极和阴极间加正向电压，并在控制极和阴极之间加正向触发电压。晶闸管的关断条件：使IAIH或在阳极与阴极间加反向电压。因此可将晶闸管看成是一个可控的单向导电开关。双向晶闸管。它是可以两个方向控制导通的晶闸管，其符号如图所示。用T1和T2分别表示两个极，G仍为控制极。GT1T2实际上它相当于两个反向并联晶闸管的组合，只是共用一个控制极，通过在控制极施加正负电压来控制晶闸管的双向导通。双向晶闸管GT1T2T2T1G通常uT2T10时，控制极与T1极间加正向电压，即uGT10，双向晶闸管为正向导通；uT2T10时，在控制极与T1极间加反向控制电压，即uGT10，双向晶闸管为反向导通。晶闸管有两个工作区域。当晶闸管承受反向电压，且大小低于反向击穿电压UBR时，仅有极小的反向漏电电流，与二极管的反向特性类似。这时无论控制极是否有正向电压，晶闸管均不会导通，处于反向阻断状态。晶闸管的特性曲线IAUAKUBRUDSMIG=0IG1IG2IH02.晶闸管的特性曲线当反向电压超过一定值并达到反向击穿电压时，会使反向漏电电流急剧增大，导致晶闸管损坏。IAUAKUBRUDSMIG=0IG1IG2IH0当晶闸管两端加入正向电压、而控制极未加电压时，IG＝0，晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电电流IA。若晶闸管两端正向电压增加到某一数值时（UDSM），电流IA突然急剧增加，晶闸管在没有控制极电压作用下，由正向阻断变为导通，这个电压UDSM称为晶闸管的正向转折电压。在正常工作时，一般不允许晶闸管上的正向电压值达到UDSM，因为这将失去晶闸管控制极的作用，同时这种导通方法容易造成晶闸管的损坏。IAUAKUBRUDSMIG=0IG1IG2IH0若在控制极上加触发电压，则产生控制极电流，即IG0，这会降低转折电压，电流IG越大，转折电压越低。电流IG从控制极流入晶闸管、从阴极流出晶闸管。双向晶闸管的特性曲线在第1和第3象限有对称的伏安特性。双向晶闸管特性曲线IUIG=00（1）正向重复峰值电压UDRMUDRM是指控制极开路时，允许重复加在晶闸管上的最大正向电压，通常UDRM＝0.8UDSM3.晶闸管的主要参数(2)反向重复峰值电压URRMURRM是指控制极开路时，允许重复加在晶闸管上的最大反向电压，通常URRM＝0.8UBR。普通晶闸管的UDRM和URRM的值为100~3000V。(3)额定正向平均电流IFIF是指在规定环境温度和标准散热及晶闸管全导通条件下，允许晶闸管连续通过的工频正弦半波在一个周期内的平均值即mm0Fsin21ItII（4）维持电流IHIH是指在控制极开路和规定环境温度下，维持晶间管导通的最小电流。当晶闸管正向电流小于IH时，晶闸管将自行关闭。（5）控制极触发电流IGIG是指在室温和阳、阴极之间直流电压为6V条件下，使晶闸管完全导通所需的最小控制极直流电流，从几毫安至几百毫安。（6）控制极触发电压UGUG是指使晶闸管正向导通时，控制极所加电压，一般为1~5V。5.6.2晶闸管的应用1.单相半波可控整流电路(1)电阻性负载当电源电压为正半周时，晶闸管T承受正向电压，在t1时刻，控制极加入触发电压uG，晶闸管从t1时刻开始导通，导通后负载上输出电压uo。当电压u下降接近零时，晶闸管因正向电流小于维持电流而关断。tUusin2设电压uoRLT+uTu~++iou0t0tuo0tuTuGuuGt1t2ioiouo在u的负半周，晶闸管T承受反向电压而阻断。在下一个周期的同一时刻再次加入触发电压，重复前一个周期的过程。u0t0tuo0tuTuGuuGt1t2ioiououoRLT+uTu~++io称为控制角，控制晶闸管的导通时刻，称为导通角。在单相半波整流电路中与的关系为＝180－导通角越大，输出电压越高。整流电路输出电压平均值为2cos145.0sin221oUttdUU输出电流平均值为LooRUIoTII整流元件中流过的电流平均值（2）电感性负载由于电感的存在，使电流io不能发生跃变。当晶闸管刚触发导通时，电流io将由0逐渐增加（因为电感元件中的感应电动势阻碍电流变化）电流达到最大值的时间滞后于电压uo达到最大值的时间。当电压下降到零后，电流io并不为零，在u变为负值以后仍能使晶闸管导通，这时感应