1.3　電路應(yīng)用的元件

1.3.1　晶閘管（SCR）

晶閘管又叫可控整流器，是晶體閘流管（Thyristor）的簡稱，它是一種大功率開關(guān)型半導(dǎo)體器件。晶閘管優(yōu)點：高電壓，大電流，體積小，重量輕，損耗小，控制特性好，應(yīng)用廣泛，如用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。缺點：屬半控電力電子器件，多應(yīng)用在交流電路中。

（1）晶閘管的分類　晶閘管的分類見表1-2，常見外形圖如圖1-15所示。

（2）單向晶閘管構(gòu)造及特性　單向晶閘管簡稱SCR（Silicon Controlled Rectifier），它是一種由PNPN四層半導(dǎo)體材料構(gòu)成的三端半導(dǎo)體器件，三個引出電極的名稱分別為陽極A、陰極K和門極G（又稱控制極）。單向晶閘管的陽極與陰極之間具有單向?qū)щ姷男阅埽鋬?nèi)部電路可以等效為由一個PNP三極管和一個NPN三極管組成的復(fù)合管。單向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其在電路原理圖中的符號如圖1-16所示。

當(dāng)單向晶閘管陽極A端接負電源，陰極K端接正電源時，無論門極G加上什么極性的電壓，單向晶閘管陽極A與陰極K之間均處于斷開狀態(tài)。當(dāng)單向晶閘管陽極A端接正電源，陰極K端接負電源時，只要其門極G端加上一個合適的正向觸發(fā)電壓信號，單向晶閘管陽極A與陰極K之間就會由斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)（陽極A與陰極K之間呈低阻導(dǎo)通狀態(tài)，A、K極之間壓降為0.8～1V）。若門極G所加觸發(fā)電壓為負，則單向晶閘管也不能導(dǎo)通。

單向晶閘管一旦受觸發(fā)導(dǎo)通后，即使取消其門極G端的觸發(fā)電壓，只要陽極A端與陰極K端之間仍保持正向電壓，晶閘管將維持低阻導(dǎo)通狀態(tài)。只有將陽極A端的電壓降低到某一臨界值或改變陽極A端與陰極K端之間電壓極性（如交流過零）時，單向晶閘管陽極A與陰極K之間才由低阻導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高阻斷開狀態(tài)。單向晶閘管一旦為斷開狀態(tài)，即使在其陽極A端與陰極K端之間又重新加上正向電壓，也不會再次導(dǎo)通，只有在門極G端與陰極K端之間重新加上正向觸發(fā)電壓后方可導(dǎo)通。

（3）單向晶閘管常用參數(shù)　晶閘管的主要電參數(shù)有正向轉(zhuǎn)折電壓U_BO、反向擊穿電壓U_BR、反向重復(fù)峰值電流I_RRM、斷態(tài)重復(fù)峰值電流I_DR、斷態(tài)重復(fù)峰值電壓U_DFM、反向重復(fù)峰值電壓U_RRM、正向平均壓降U_F、通態(tài)平均電流I_T、門極觸發(fā)電壓U_GT、門極觸發(fā)電流I_GT、門極反向電壓和維持電流I_H等。

①門極觸發(fā)電流I_GT　是指在規(guī)定環(huán)境溫度和晶閘管陽極與陰極之間正向電壓為一定值的條件下，使晶閘管從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)所需要的最小門極直流電流。

②通態(tài)平均電流I_T　是指在規(guī)定環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，晶閘管正常工作時A、K（或T₁、T₂）極間所允許通過電流的平均值。

③正向轉(zhuǎn)折電壓U_BO　是指在額定環(huán)境溫度為100℃且門極G開路的條件下，在其陽極A與陰極K之間加正弦半波正向電壓，使其由關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)時所對應(yīng)的峰值電壓。

④反向擊穿電壓U_BR　指在額定結(jié)溫下，晶閘管陽極與陰極之間施加正弦半波反向電壓，當(dāng)其反向漏電電流急劇增加時所對應(yīng)的峰值電壓。

⑤反向重復(fù)峰值電壓U_RRM　是指晶閘管在門極G開路時，允許加在A、K極間的最大反向峰值電壓。此電壓約為反向擊穿電壓減去100V后的電壓值。

⑥斷態(tài)重復(fù)峰值電壓U_DFM　是指晶閘管在正向關(guān)斷時，允許加在A、K（或T₁、T₂）極間最大的峰值電壓。此電壓約為正向轉(zhuǎn)折電壓U_BO減去100V后的電壓值。

⑦門極觸發(fā)電壓U_GT　是指在規(guī)定的環(huán)境溫度和晶閘管陽極與陰極之間正向電壓為一定值的條件下，使晶閘管從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)所需要的最小門極直流電壓，一般為1.5V左右。

⑧反向重復(fù)峰值電流I_RRM　是指晶閘管在關(guān)斷狀態(tài)下的反向最大漏電電流值，一股小于100μA。

⑨門極反向電壓　是指晶閘管門極上所加的額定電壓，一般不超過10V。

⑩正向平均電壓降U_F　也稱通態(tài)平均電壓或通態(tài)壓降電壓，它是指在規(guī)定環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，當(dāng)通過晶閘管的電流為額定電流時，其陽極A與陰極K之間電壓降的平均值，通常為0.4～1.2V。

維持電流I_H　是指維持晶閘管導(dǎo)通的最小電流。當(dāng)正向電流小于I_H時，導(dǎo)通的晶閘管會自動關(guān)斷。

斷態(tài)重復(fù)峰值電流I_DR　是指晶閘管在斷開狀態(tài)下的正向最大平均漏電電流值，一般小于100μA。

（4）晶閘管好壞的判斷

①判定各電極

a.外觀識別：常用單向晶閘管各電極排列如圖1-17所示。

b.萬用表檢測：由單向晶閘管的結(jié)構(gòu)圖可知，它的門極G與陰極K之間是一個PN結(jié)，而陽極A與門板G之間有兩個反極性串聯(lián)的PN結(jié)。因此，用萬用表R×100擋可很方便地判定出門極G、陰極K與陽極A。將黑表筆任意接某一電極，紅表筆依次去觸碰另外兩個電極。如測量結(jié)果有一次阻值為幾百歐，即可判定黑表筆所接是門極G。在阻值為幾百歐的測量中，紅表筆接的便是陰極K，另一個電極則是陽極A（A與K、G正、反均不通）。

②判斷好壞　檢測觸發(fā)能力。根據(jù)單向晶閘管的導(dǎo)通、截止條件，可分以下三種情況對其進行檢測：

a.用萬用表檢測：將萬用表置于R×10擋，紅表筆接陰極K，黑表筆接陽極A，此時，萬用表指針不動。用黑筆接觸門極G（黑筆移動時不能離開陽極A），使門極G與陽極A短路，即給門極G加上了正向觸發(fā)電壓。此時，萬用表指針明顯向右擺動，并停在幾歐至十幾歐處，表明晶閘管因正向觸發(fā)而導(dǎo)通。接著，保持紅、黑表筆接法不變，將黑筆離開門極G（黑筆在移動過程中不能離開陽極A），這時，若萬用表的指針仍保持在幾歐至幾十歐的位置不動，則說明晶閘管的性能良好，如表針返回到零位則說明晶閘管是壞的。

b.用測試電路法檢測：如圖1-18所示，利用該電路可迅速找出單（雙）向晶閘管的極性或判斷其好壞。

圖1-18中，A（T₂）、K（T₁）、G分別為三個小插孔，LED是一個紅色發(fā)光二極管，E為6～9V層疊電池，AN是一個小型常開式按鈕。使用方法是：

?判斷單向晶閘管極性：將不明極性晶閘管的三腳任意插入三孔中，若LED立即發(fā)光，則表明A孔插的是G極（控制極），K孔插的是K極（陰極），G孔插的是A極（陽極）；若插入后LED不亮，按一下AN，LED發(fā)光，松開AN后，LED發(fā)光，則表明A孔是A極，K孔是K極，G孔是G極。其他情況下根據(jù)工作原理亦能方便地判斷。

?判斷單向晶閘管好壞：將A極、K極和G極分別插入A、K、G三孔，LED應(yīng)不亮，按一下AN后松開，LED被點亮，直至斷電，此時表明器件是好的。

c.用數(shù)字萬用表檢測：將數(shù)字萬用表撥至二極管擋，紅表筆任意固定接在某個引腳上，用黑表筆依次接觸另外兩個引腳，如果在兩次測試中，一次顯示值小于1V，另一次顯示溢出符號“OL”或“1”（視不同的數(shù)字萬用表而定），表明紅表筆接的引腳是陰極K。若紅表筆固定接一個引腳，黑表筆接第二個引腳時顯示的數(shù)值為0.6～0.8V，黑表筆接第三個引腳顯示溢出符號“OL”或“1”，且紅表筆所接的引腳與黑表筆所接的第二個引腳對調(diào)時，顯示的數(shù)值由0.6～0.8V變?yōu)橐绯龇枴癘L”或“1”，此時就可判定該晶閘管為單向晶閘管，其中紅表筆所接的引腳是陰極K，第二個引腳為門極G，第三個引腳為陽極A。上述過程中，無論怎樣調(diào)換引腳，均顯示溢出或阻值很小說明晶閘管是壞的。

（5）單向晶閘管應(yīng)用電路

①單相半控橋式整流電路工作原理　圖1-19（a）所示的是單相半控橋式整流電路（簡稱半控橋）。

在u₂的正半周，晶閘管VT₁和二極管VD₂承受正向電壓。若觸發(fā)電路送出觸發(fā)脈沖U_G到晶閘管VT₁的控制極，則VT₁和VD₂導(dǎo)通，電流通路為：a→VT₁→R_L→VD₂→b，此時，VT₂和VD₁因承受反向電壓而截止。忽略掉晶閘管和二極管的管壓降，則輸出電壓u_o=u₂。

在u₂的負半周，晶閘管VT₂和二極管VD₁承受正向電壓。若觸發(fā)電路送出觸發(fā)脈沖U_G到晶閘管VT₂的控制極，則VT₂和VD₁導(dǎo)通，電流通路為：b→VT₂→R_L→VD₁→a，此時，VT₁和VD₂因承受反向電壓而截止。忽略晶閘管和二極管的管壓降，則輸出電壓u_o=-u₂。

u₂的下一個周期情況同上述，循環(huán)往復(fù)，輸出得到直流電壓。當(dāng)改變觸發(fā)脈沖到來的時間，即改變晶閘管的控制角的大小，輸出電壓就隨之改變，就可以達到控制輸出直流電壓大小的目的。

②直流電機調(diào)速電路圖　晶閘管在直流電機調(diào)速中的應(yīng)用電路如圖1-19（b）所示。

220V市電經(jīng)整流后，通過晶閘管VS加到直流電機的電樞上，同時它還向勵磁線圈ML提供勵磁電流，只要調(diào)節(jié)RP的值，就能改變晶閘管的導(dǎo)通角，從而改變輸出電壓的大小，實現(xiàn)直流電機的調(diào)速（VD₂是直流電機電樞的續(xù)流二極管）。

1.3.2　雙向晶閘管

（1）雙向晶閘管構(gòu)造及特性

①雙向晶閘管（TRIAC）是在單向晶閘管的基礎(chǔ)上研制的一種新型半導(dǎo)體器件，它是由NPNPN五層半導(dǎo)體材料構(gòu)成的三端半導(dǎo)體器件，其三個電極分別為主電極T₁、主電極T₂和門極G。

雙向晶閘管的陽極與陰極之間具有雙向?qū)щ姷男阅埽鋬?nèi)部電路可以等效為兩個普通晶閘管反向并聯(lián)組成的組合管。雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路及其在電路原理圖中的符號如圖1-20所示。

②雙向晶閘管的伏安特性如圖1-21所示。性能良好的雙向晶閘管，其正、反向特性曲線具有很好的對稱性。

雙向晶閘管可以雙向?qū)ǎ床徽撻T極G端加上正還是負的觸發(fā)電壓，均能觸發(fā)雙向晶閘管在正、反兩個方向?qū)ǎ孰p向晶閘管有四種觸發(fā)狀態(tài)，如圖1-22所示。

當(dāng)門極G和主電極T₂相對于主電極T₁的電壓為正（>、U_G>）或門極G和主電極T₁相對于主電極T₂的電壓為負（<、U_G<）時，晶閘管的導(dǎo)通方向為T₂T₁，此時T₂為陽極，T₁為陰極。

當(dāng)門極G和主電極T₁相對于主電極T₂為正（>、U_G>）或門極G和主電極T₂相對于主電極T₁的電壓為負（<、U_G<）時，晶閘管的導(dǎo)通方向為T₁T₂，此時T₁為陽極，T₂為陰極。

無論雙向晶閘管的主電極T₁與主電極T₂之間所加電壓極性是正向還是反向，只要門極G和主電極T₁（或T₂）間加有正、負極性不同的觸發(fā)電壓，滿足其必需的觸發(fā)電流，晶閘管即可觸發(fā)導(dǎo)通呈低阻狀態(tài)，此時，主電極T₁、T₂間的壓降約為1V。

雙向晶閘管一旦導(dǎo)通，即使失去觸發(fā)電壓，也能繼續(xù)維持導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)主電極T₁、T₂電流減小至維持電流以下或T₁、T₂間電壓改變極性，且無觸發(fā)電壓時，雙向晶閘管即可自動關(guān)斷，只有重新施加觸發(fā)電壓，才能再次導(dǎo)通。加在門極G上的觸發(fā)脈沖的大小或時間改變時，其導(dǎo)通電流就會相應(yīng)地改變。

（2）應(yīng)用電路　圖1-23所示為雙向晶閘管構(gòu)成的臺燈調(diào)光電路。

閉合開關(guān)S后，電源經(jīng)RL、RP、R₃給C₃充電，當(dāng)C₃兩端電壓達到雙向二極管VD₁的轉(zhuǎn)折電壓時，VD₁導(dǎo)通，于是觸發(fā)VS導(dǎo)通，VS導(dǎo)通后兩端壓降很低（約1V），使負載RL兩端的電壓上升，同時將C₃短接（C₃放電），直至交流電壓基本為零時，VS才截止。當(dāng)電源為負半周時，重復(fù)上述過程。如此循環(huán)，調(diào)節(jié)RP，改變C₃充電的快慢，即可改變VS的導(dǎo)通角，也即改變了RL在一個周期內(nèi)的通電時間，從而實現(xiàn)了調(diào)光。圖中，H為指示燈、L、C₁為高頻濾波電路，R₂、C₂為保護電路。將其他電器插頭插入插座，還可完成多種電器的調(diào)壓作用，如電熱毯/電熨斗調(diào)溫、電機調(diào)速等。

1.3.3　門極可關(guān)斷晶閘管

（1）可關(guān)斷晶閘管的性能特點及參數(shù)

①性能特點　可關(guān)斷晶閘管簡稱GTO，也是一種PNPN四層半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)、等效電路與普通晶閘管相同。圖1-24所示為GTO的電路符號、外形及引腳排列圖。大功率可關(guān)斷晶閘管大多采用模塊形式封裝。GTO和普通晶閘管相同，也有三個電極，分別為陽極A、陰極K和門極G。

GTO觸發(fā)導(dǎo)通的原理與普通晶閘管基本相同，但兩者的關(guān)斷原理和關(guān)斷方式卻有根本的區(qū)別。普通晶閘管門極G加上正觸發(fā)信號導(dǎo)通后，即使撤去觸發(fā)信號也能維持導(dǎo)通。要想使其關(guān)斷，需將A、K間電源切斷，使正向電流低于維持電流，或加上反向電壓強迫關(guān)斷。可關(guān)斷晶閘管具有比普通晶閘管電流大、耐壓高等優(yōu)點，而且還具有自行關(guān)斷的功能，但應(yīng)用電路較復(fù)雜，并易產(chǎn)生波形失真和噪聲。普通晶閘管在導(dǎo)通后處于深飽和狀態(tài)，而GTO導(dǎo)通后是處于臨界飽和狀態(tài)的，所以只要給GTO門極G加上負向觸發(fā)信號即可使其關(guān)斷。

②可關(guān)斷晶閘管的主要性能參數(shù)

a. U_RGM：門極反向峰值電壓。

b.斷態(tài)重復(fù)峰值電壓U_DRM：GTO兩端施加的斷態(tài)電壓的最高值。

c. I_ATM：最大可關(guān)斷電流。

d.關(guān)斷增益β_off：非常重要的參數(shù)，相當(dāng)于晶體管的電流放大系數(shù)h_FE。它等于陽極最大可關(guān)斷電流I_ATM與門極最大負向電流I_GM的比值，即β_off值的大小可表征門極電流對陽極電流的控制能力的強弱。一般β_off為幾倍速到十幾倍速。β_off越大，說明門極電流對陽極電流的控制能力越強。

e. U_TM：通態(tài)峰值電壓。

（2）可關(guān)斷晶閘管（GTO）好壞的判斷

①判定電極　將萬用表置于R×1擋，輪換測量任意兩引腳間的電阻值，只有當(dāng)黑表筆接門級G，紅表筆接陰極K時，電阻才為低阻值，而其他情況下的電阻值均為無窮大。這樣將門極G和陰極K確定后，余者便是陽極A。

②檢測觸發(fā)能力　使用R×1擋，將黑表筆接陽極A，紅表筆接陰極K，此時電阻值應(yīng)為無窮大。用黑表筆在接觸陽極A的同時也接觸門極G，此時即給門極G加上了正向觸發(fā)信號，指針應(yīng)向右大幅度偏轉(zhuǎn)，呈低阻值狀態(tài)，表明GTO被觸發(fā)導(dǎo)通，將黑表筆與G極脫開，萬用表指針應(yīng)保持低阻值不變，證明GTO能維持通態(tài)，觸發(fā)能力正常。

③檢測關(guān)斷能力　用一個電解電容，先用萬用表R×100擋給電解電容充滿電，然后將萬用表撥至R×1擋，按照檢測觸發(fā)能力的操作步驟使GTO的觸發(fā)導(dǎo)通并維持通態(tài)；把電解電容的負極接GTO的門極G，用電解電容的正極去觸碰GTO的陰極K，若指針迅速向左回擺至無窮大位置，則說明GTO關(guān)斷能力正常。

（3）可關(guān)斷晶閘管應(yīng)用電路　可關(guān)斷晶閘管GTO已被廣泛用于交流電機調(diào)速、變頻調(diào)速、斬波器、逆變電源及電子開關(guān)電路中。

①GTO的門極供電電路　如圖1-25所示，當(dāng)高電平的導(dǎo)通信號加到V的基極時，V導(dǎo)通，并經(jīng)過電容C觸發(fā)GTO進入導(dǎo)通狀態(tài)使R_L工作，同時U_CC經(jīng)過R₁、V向C充電。當(dāng)關(guān)斷信號（正脈沖）加到高頻晶閘管VS的門極時，VS導(dǎo)通，電容C上的電量經(jīng)R₂、VS、GTO的K-G極放電。由于C兩端的電壓不能突變，所以GTO的門極加上負向脈沖，使GTO迅速被關(guān)斷R_L失去供電。

②交流電機變頻調(diào)速　如圖1-26所示，由GTO構(gòu)成的交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路。VD₁～VD₆是三相橋式整流電路，電容C起濾波作用，六個可關(guān)斷晶閘管用以驅(qū)動三相交流電機M。各可關(guān)斷晶閘管的門極上分別加脈寬調(diào)制觸發(fā)信號（PWM），通過改變PWM脈寬信號寬度，改變可關(guān)斷晶閘管的導(dǎo)通，從而改變電機轉(zhuǎn)速。VS為保護電路，當(dāng)電路中有過流或過熱現(xiàn)象時，VS通，F(xiàn)U熔斷保護。

1.3.4　電力晶體管（GTR）

（1）基本結(jié)構(gòu)和工作原理　電力晶體管（簡稱GTR）屬于電流控制型器件，是一種耐壓高、電流容量大的雙極型大功率晶體管，其基本結(jié)構(gòu)和工作原理與小功率晶體管類似，也有PNP型和NPN型兩種。NPN型電力晶體管的基本結(jié)構(gòu)和圖形符號分別如圖1-27（a）、（b）所示。

為了簡化GTR的驅(qū)動電路，減小控制電路的功率，常常將圖1-27（c）所示的達林頓結(jié)構(gòu)（復(fù)合管）電力晶體管、續(xù)流二極管、加速二極管等集成在同一芯片上，做成電力晶體管模塊。這種達林頓模塊具有大電流、高增益的晶體管特性，更便于在各種電力電子設(shè)備中應(yīng)用。

電力晶體管和小功率晶體管一樣，也有截止、放大和飽和三種工作狀態(tài)。在電力電子技術(shù)中，電力晶體管作為大功率的開關(guān)器件，主要工作于截止和飽和兩種狀態(tài)。為了確保晶體管能安全可靠地長期工作，晶體管在開關(guān)過程中必須工作在如圖1-28所示的安全工作區(qū)（SOA）內(nèi)。

（2）GTR的主要參數(shù)　GTR的參數(shù)較多，這里僅簡單介紹GTR的幾個主要參數(shù)。

①開路阻斷電壓　開路阻斷電壓主要反映GTR的耐壓能力。

a. U_CBO：發(fā)射極開路時，集電極-基極間的反向擊穿電壓。

b. U_CEO：基極開路時，集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓。

c. U_CEO（sus）：基極開路時，集電極-發(fā)射極間能承受的持續(xù)電壓。一般，U_CEO（sus）<U_CEO。

②集電極最大允許電流I_CM　發(fā)射結(jié)正向偏置時，集電極允許的最大電流。

③電流放大倍數(shù)h_FE　集電極電流與基極電流的比值，即h_FE=I_C/I_B。

④開關(guān)頻率　GTR作為開關(guān)器件的最高工作頻率，它取決于GTR的開關(guān)時間（開關(guān)時間為開通時間t_on與關(guān)斷時間t_off之和）。此外，GTR的參數(shù)還有最高工作結(jié)溫T_iM、熱阻R_ic等。通常，用開路阻斷電壓和集電極最大允許電流可以大致反映GTR的容量，如1200V/300A的GTR，是指其U_CE為1200V、I_CM為300A。選用GTR時，必須根據(jù)實際應(yīng)用條件，確定所用管子的參數(shù)，以保證器件的正確使用，例如，電力電子設(shè)備用380V交流電供電時，大多選用1200V電壓等級的GTR。此外，由于GTR的結(jié)溫直接影響到其工作壽命，因此還必須重視GTR的熱參數(shù)，尤其是散熱器的質(zhì)量以及散熱器與管殼之間的接觸電阻。

（3）GTR的基極驅(qū)動　為了降低GTR在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的功率損耗，提高系統(tǒng)的安全可靠性，必須采用合理的基極驅(qū)動電路。圖1-29所示為一種基極驅(qū)動原理電路和波形。

由圖可見，GTR對基極驅(qū)動的一般要求是：開通時要過驅(qū)動（I_B=I_B1），以縮短晶體管的導(dǎo)通時間；正常導(dǎo)通時要淺飽和（I_B=I_B2），以利于晶體管的關(guān)斷；關(guān)斷時要反偏（I_B=I_B3），以縮短晶體管的關(guān)斷時間。基極驅(qū)動對GTR的正常運行起著極其重要的作用，較好的基極驅(qū)動是采用具有智能控制功能的電路，如UA4002專用集成電路，可以對晶體管實現(xiàn)較理想的基極電流優(yōu)化驅(qū)動，并可以提供多種保護功能。

GTR具有控制方便、開關(guān)時間短、高頻特性好和通態(tài)壓降較低等優(yōu)點，其主要缺點是存在局部過熱引起的二次擊穿現(xiàn)象。目前，GTR的最大容量為1200V/400A，最佳工作頻率為1～10kHz，適用于500V·A以下的應(yīng)用場合。

1.3.5　電力場效應(yīng)晶體管

（1）結(jié)構(gòu)與工作原理　場效應(yīng)晶體管（FET）是利用電場來控制固體材料導(dǎo)電能力的單極型有源器件。所謂單極型器件是指內(nèi)部只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件。金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管簡稱為MOSFET。電力MOS場效應(yīng)晶體管（簡稱電力MOSFET）與小功率MOSFET一樣，是絕緣柵場效應(yīng)晶體管。它是通過改變柵極與源極間的電壓，使其內(nèi)部溝道反向恢復(fù)來控制漏極電流的，因此它屬于電壓控制型器件。目前，電力MOSFET一般采用如圖1-30所示的垂直導(dǎo)電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)。實際的電力MOSFET是由幾千個到幾十萬個這樣結(jié)構(gòu)的單元并聯(lián)組成的一種功率集成器件。

由圖1-30（a）可見，柵極G與基片之間隔著氧化硅薄層，故它與其他兩個極之間是絕緣的，因此電力MOSFET柵-源極之間的阻抗非常高；該器件在使用時，源極S接低電位，漏極D接高電位，即u_DS>0。當(dāng)柵極與源極間為零偏壓（即u_GS=0）時，由于u_GS使PN結(jié)承受反向電壓，故漏極到源極之間無電流，整個器件處于阻斷狀態(tài)；當(dāng)柵極-源極間的正偏壓超過某一臨界值（柵極閾值電壓U_T）時，即u_GS>U_T時，靠近氧化硅附近的區(qū)域表面層形成與P型半導(dǎo)體導(dǎo)電性相反的一層，即N反型層，該反型層稱為N溝道。N溝道將漏極與源極連接起來，成為導(dǎo)電的通道，使整個器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流i_D從漏極出發(fā)，經(jīng)過N溝道，流入N^-區(qū)，最后從源極流出。由于這種電力MOSFET靠N型溝道來導(dǎo)電，故稱為N溝道MOSFET，其圖形符號如圖1-30（b）所示。

（2）特性及參數(shù)　電力MOSFET的輸出特性如圖1-30（c）所示。電力MOSFET的主要參數(shù)有：最大漏極電流I_Dmax、漏極-源極間擊穿電壓u_DS、導(dǎo)通電阻、閥值電壓U_T和開關(guān)頻率等。

電力MOSFET的特點是驅(qū)動簡單，驅(qū)動功率小，而且開關(guān)時間很短，一般為ns數(shù)量級，工作頻率可達50～100kHz，其控制較為方便，熱穩(wěn)定性好且沒有二次擊穿現(xiàn)象，耐過流和抗干擾能力強，安全工作區(qū)（SOA）寬，但其容量較小，耐壓較低。目前，電力MOSFET的耐壓等級為1000V，電流等級為200A，因此電力MOSFET現(xiàn)主要用于各種小容量電力電子裝置中。

1.3.6　絕緣柵雙極型晶體管 （IGBT）

（1）基本結(jié)構(gòu)和工作原理　絕緣柵雙極型晶體管（簡稱IGBT）是由單極型MOS管和雙極型GTR復(fù)合而成的新型功率器件，它既具有單極型MOS管的輸入阻抗高、開關(guān)速度快的優(yōu)點，又具有雙極型電力晶體管的電流密度高、導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點。IGBT的結(jié)構(gòu)及圖形符號如圖1-31（a）、（b）所示。

由圖1-31可見，IGBT是在N溝道電力MOSFET結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再增加一個P⁺層構(gòu)成的。IGBT器件共有三個電極，分別為柵極G、發(fā)射極E、集電極C。IGBT應(yīng)用時，C接電源的高電位，E接電源的低電位。IGBT的導(dǎo)通原理與電力MOSFET基本相同，因此IGBT也屬于電壓控制型功率器件。

（2）特性與參數(shù)　IGBT的輸出特性如圖1-31（c）所示。IGBT的主要參數(shù)有：

①集電極-發(fā)射極額定電壓U_CE：柵極-發(fā)射極短路時，IGBT的耐壓值。

②柵極-發(fā)射極額定電壓U_GE：IGBT是由柵極-發(fā)射極間電壓信號U_GE控制其導(dǎo)通和關(guān)斷的，而U_GES為該控制信號電壓的額定值。IGBT工作時，其控制信號電壓不能超過U_GES，IGBT的U_GES大多為±20V左右。

③額定集電極電流i_C：IGBT導(dǎo)通時，允許流過管子的最大持續(xù)電流。

④集電極-發(fā)射極飽和電壓U_CES：IGBT正常飽和導(dǎo)通時，集電極-發(fā)射極之間的電壓降U_CES越小，管子的功率損耗越小。

⑤開關(guān)頻率：IGBT的開關(guān)頻率是由其導(dǎo)通時間t_on、下降時間t_f和關(guān)斷時間t_off來決定的。IGBT的開關(guān)頻率還與集電極電流I_C、運行溫度和柵極電阻R_G有關(guān)。當(dāng)R_G增大、運行溫度升高時，開關(guān)時間增大，管子允許的開關(guān)頻率有所降低。IGBT的實際工作頻率比GTR高，一般可達30～40kHz。

（3）IGBT的驅(qū)動　隨著IGBT的廣泛應(yīng)用，針對IGBT的優(yōu)點而開發(fā)出的各種專用驅(qū)動模塊也應(yīng)運而生，如日本富士公司的EXB841專用驅(qū)動模塊，模塊內(nèi)部裝有光耦合器，有過電流保護電路和過電流保護信號端子，還可以用單電源供電。各種高性能的專用驅(qū)動模塊，為IGBT的廣泛應(yīng)用提供了極大的方便。IGBT是發(fā)展最快且已走入實用化的一種復(fù)合型功率器件。目前ICBT的容量已經(jīng)達到GTR的水平，系列化產(chǎn)品的電流為10～400A，電壓等級為500～1400V，工作頻率為10～50kHz。由于IGBT集MOSFET和GTR的優(yōu)點于一身，因此它廣泛應(yīng)用于各種電力電子裝置，有取代電力MOSFET和GTR的趨勢。

1.3.7　電力電子器件的選用和保護

目前，電力電子器件的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是各種新型自關(guān)斷功率器件的應(yīng)用范圍不斷擴大。為了確保電力電子裝置安全可靠地運行，必須正確選用和保護電力電子器件。

（1）電力電子器件的選擇

①電力電子器件種類的選擇　在電力電子裝置中，采用自關(guān)斷器件省去了線路復(fù)雜、體積較大的強迫換相電路，既減小了裝置體積，又降低了開關(guān)損耗，提高了效率。同時，由于這些器件開關(guān)頻率的提高，電力電子裝置可以采用PWM控制，既可以降低諧波損耗，又可以提高快速性，甚至還可以改善功率因數(shù)。因此，現(xiàn)代電力電子裝置大量使用各種新型電力半導(dǎo)體器件。

現(xiàn)在，容量為600kV·A以下的裝置一般采用GTR或IGBT；容量為600～4000kV·A的裝置一般采用GTO；而容量為4000kV·A以上的裝置才采用普通晶閘管。

②電力電子器件參數(shù)的選擇　恰當(dāng)?shù)剡x擇電力電子器件的參數(shù)，可以使電力電子裝置功能良好、可靠、經(jīng)濟、維護方便。

a.器件電壓的選擇。選擇器件的重復(fù)峰值電壓（額定電壓）的依據(jù)是：額定電壓必須大于器件在電路中實際承受的最大電壓，并有2～3倍的余量。

b.器件電流的選擇。選擇器件的額定電流時，必須考慮到不同器件額定電流的表示方法有所不同，如普通晶閘管、快速晶閘管的額定電流是工頻正弦半波電流（波形系數(shù)K_f：1.57）的平均值，而雙向晶閘管用電流的有效值表示，GTO、GTR、MOSFET和IGBT等則用電流的峰值表示，因此必須根據(jù)實際使用的器件來選擇器件的額定電流。例如，選擇普通晶閘管額定電流的依據(jù)是：晶閘管的額定電流I_T（AV），必須使管子的額定有效值［1.57I_T（AV）］不小于實際流過管子電流的最大有效值I_T［即1.57I_T（AV）≥I_T］，才能保證晶閘管的發(fā)熱與結(jié)溫不超過額定值，而且通常選用管子的額定電流時也應(yīng)考慮1.5～2倍的余量，即I_T（AV）≥（1.5～2）I_T/1.57（I_T為工作時流過晶閘管的最大電流有效值）。

當(dāng)單個器件額定電壓不能滿足電路電壓要求時，可將多個器件串聯(lián)使用，但器件串聯(lián)時要保證各個串聯(lián)器件所承受的電壓基本相等（即均壓）；當(dāng)單個器件額定電流不夠大時，可將多個器件并聯(lián)使用，但器件并聯(lián)使用時要保證每個并聯(lián)器件中流過的電流基本相等（即均流）。

（2）電力電子器件的保護　由于電力電子器件承受過電壓和過電流的能力較差，因此必須采用相應(yīng)的保護措施。過電壓和過電流保護是提高電力電子裝置運行可靠性所不能缺少的重要環(huán)節(jié)。

①常用的保護措施是用若干電路元件組成的保護部件，如阻容吸收、非線性元件（硒堆、壓敏電阻）等，分散設(shè)置在所需要的部位，來限制瞬時過電壓；用快速熔斷器、過電流繼電器、直流快速斷路器等，快速切斷故障過電流，實現(xiàn)過電流保護。此外，還可以通過檢測電路中某點的電壓或電流值，利用調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行快速反饋控制，將電壓、電流抑制在允許值以下，而當(dāng)有嚴重故障時自動快速切斷裝置的電源，實現(xiàn)電壓、電流保護。

為了確保裝置安全可靠地運行，一般還在晶閘管電路中串入進線電感配合阻容吸收電路以及在晶閘管橋臂串入小電感，來限制加到晶閘管上的電壓上升率du/dt；在晶閘管橋臂串入小電感配合整流式阻容吸收電路，來限制晶閘管電流上升率di/dt。

②對于GTR、GTO、MOSFET和IGBT等自關(guān)斷器件，除了采用上述的保護措施外，還應(yīng)盡量選用有自保護功能的驅(qū)動電路。應(yīng)當(dāng)注意，由于這些自關(guān)斷器件的工作頻率比晶閘管高得多，因此其緩沖電路與晶閘管也不盡相同，圖1-32所示為一種常見的GTR緩沖電路，該緩沖電路也可用于GTO、MOSFET及IGBT的保護。