第七章晶闸管和场效应管

GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：
（1）设计2较大，使晶体管VT2控制灵敏， 易于GTO关断。
（2）导通时1+2更接近1（1.05，普通
晶闸管1+21.15）,导通时饱和不深， 接近临界饱和，有利门极控制关断，
但导通时管压降增大。
晶闸管的工作原理
（3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使 得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。
7.1 晶闸管
双向晶闸管的检测方法 判定T1极 由图可见， G 极与 T2 极靠近，距 T1 极较远。因此， G— T2之间的正、反向电阻都很小。在用 RXlK档测任意两脚之间 的电阻时，只有在G-T2之间呈现低阻，正、反向电阻仅几十 欧，而 T1-G 、 T2-T1 之间的正、反向电阻均为无穷大。这表 明，如果测出某脚和其他两脚都不通，就肯定是 T1极。另外， 采用 TO—220封装的双向晶闸管， T1 极通常与小散热板连通， 据此亦可确定T1极。
GTO的驱动电路 2.门极驱动电路实例1
右图是一种小容量的GTO门极驱 动电路。
当 u 0 时，由晶体管VT1、VT2组成 的复合管导通，对电容充电，形成
正向门极电流，触发GTO导通，电容 的极性为左(＋)右(－)；当 u 0时， C VT13、VT4饱和导通，电容通过电阻
R4、VD1和VT4放电，形成反向门极
结构：
与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引 出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件， 内部包含数十个甚至数百个共阳极的小 GTO 元，这些 GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。

G
K
G
K
G
A
N2
P2 N1 P1 A
N2 G K
a) 图1-13
GTO的驱动电路
1. GTO对门极驱动电路的基本要求
GTO的门极驱动电路通常包括开通驱动电路、关断
驱动电路和门极反偏电路三部分
门极驱动电路结构示意图及理想的门极驱动电流波形
GTO的驱动电路
1) 门极开通
GTO触发导通要求触发脉冲信号具有前沿陡、幅度高、宽 度大、后沿缓的脉冲波形； 上升沿陡峭的门极电流脉冲有利于GTO的快速导通，且可 保证使所有的GTO元件几乎同时导通，且使电流分布趋于均 匀，通常要求脉冲前沿为 diGU / dt =5～10 A / s ； 脉冲幅度高可实现强触发，有利于缩短开通时间，减少开 通损耗，为此一般要求脉冲幅度为额定直流触发电流的4～ 10倍； 脉冲有足够的宽度可以保证阳极电流可靠建立，一般取脉 宽为10～60 s ； 脉冲后沿尽量平缓可以防止产生振荡，在开通脉冲的尾部 出现负的门极电流，不利于门极开通。
b)
c)
GTO的内部结构和电气图形符号
工作原理：
与普通晶闸管一样，可以用下图所示的双晶体管模型来分析。
晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管VT1、VT2分别具有共基极电流增
益α 1和α 2。 1+2=1是器件临界导通的条件。当1+2>1时，两个等效晶体管过 饱和而使器件导通；当1+2<1时，不能维持饱和导通而关断。
双向晶闸管的检测方法 区分G极和T2极 (1) 找出T1极之后，首先假定剩下两脚中某一脚为T2极，另一脚为G极。 (2) 把黑表笔接T2极，红表笔接T1极，电阻为无穷大。接着用红表笔尖把T1与G短 路，给G极加上负触发信号，电阻值应为十欧左右，证明管子已经导通，导通方向 为 T2一 T1。再将红表笔尖与 G极脱开 (但仍接 T1)，若电阻值保持不变，证明管子 在触发之后能维持导通状态。 (3) 把红表笔接T2极，黑表笔接T1极，然后使T1与G短路，给G极加上正触发信号， 电阻值仍为十欧左右，与 G极脱开后若阻值不变，则说明管子经触发后，在 T1一 T2方向上也能维持导通状态，因此具有双向触发性质。由此证明上述假定正确。 否则是假定与实际不符，需再作出假定，重复以上测量。显见， 在识别G、T2的 过程中，也就检查了双向晶闸管的触发能力。如果按哪种假定去测量，都不能使 双向晶闸管触发导通，证明管于巳损坏。对于lA的管子，亦可用RXl0档检测，对 于3A及3A以上的管子，应选RXlK档，否则难以维持导通状态。
四、晶闸管的种类
7.1 晶闸管
四、晶闸管的种类 1、双向晶闸管
双向晶闸管是由N-P-N-P-N五层半导体材料制成的，对外也引出三个电 极，其结构如图所示。双向晶闸管相当于两个单向晶闸管的反向并联，但只 有一个控制极。 双向晶闸管与单向晶闸管一样，也具有触发控制特性。不过，它的触发 控制特性与单向晶闸管有很大的不同，这就是无论在阳极和阴极间接入何种 极性的电压，只要在它的控制极上加上一个触发脉冲，也不管这个脉冲是什 么极性的,都可以使双向晶闸管导通。 由于双向晶闸管在阳、阴极间接任何极性的工作电压都可以实现触发控 制，因此双向晶闸管的主电极也就没有阳极、阴极之分，通常把这两个主电 极称为T1电极和T2电极，将接在P型半导体材料上的主电极称为T1电极，将 接在N型半导体材料上的电极称为T2电极。 由于双向晶闸管的两个主电极没有正负之分，所以它的参数中也就没有 正向峰值电压与反向峰值电压之分，而只用一个最大峰值电压，双向晶闸管 的其他参数则和单向晶闸管相同。 由于双向晶闸管正、反特性具有对称性，所以它可在任何一个方向导通， 是一种理想的交流开关器件。
7.1 晶闸管
晶闸管又称可控硅，是一个P1N1P2N2四层，具有3 个PN结，并引出3个电极的半导体开关器件。它的三个电 极，分别是阳极（A）、阴极（K）和门极（G）。
7.1 晶闸管
晶闸管又称可控硅，是一个P1N1P2N2四层，具有3 个PN结，并引出3个电极的半导体开关器件。它的三个电 极，分别是阳极（A）、阴极（K）和门极（G）。 内部结构：
电流，使GTO关断。 门极驱动电路实例1
7.1 晶闸管
五、晶闸管型号的命名方法 第一部分用字母“K”表示主称为晶闸管 第二部分用字母表示晶闸管的类别 第三部分用数字表示晶闸管的额定通态电流值 第四部分用数字表示重复峰值电压级数
7.2 场效应管
场 效 应 晶 体 管 （ Field Effect Transistor 缩 写 (FET) ）简称场效应管。由多数载流子参与导电，也称为 单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。 特点: 具有输入电阻高（108～109Ω ）、噪声小、功耗 低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工 作区域宽等优点。 作用： 场效应管可应用于放大。由于场效应管放大器的输 入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用 电解电容器。 场效应管可以用作电子开关。 场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常 用于多级放大器的输入级作阻抗变换。 场效应管可以用作可变电阻。 场效应管可以方便地用作恒流源。
7.1 晶闸管
加上Ig→Ib2↑→ Ic2↑→ Ib1↑→ Ic1↑
IA
Ib1 P1N1P2 Ic1 IG Ib2 Ic2 N1P2N2
实验演示 一、晶闸管性质 1、导通晶闸管： 无论 A 、 K 极之间加什么电压，只要 G 、 K 极之间没有加正向 电压，晶闸管就无法导通。 只有 A 、 K 极之间加正向电压，并且 G 、 K 极之间也加一定的 正向电压，晶闸管才能导通。 给晶闸管G极提供电压，让IG电流流入G极，晶闸管A、K 极之间马上导通，这种现象称为晶闸管的触发导通。 晶闸管导通后，撤掉G、K极之间的正向电压后晶闸管仍继续 导通。 2、关闭晶闸管： 让流入晶闸管A极的电流减小到某一值IH（维持电流） 让A、K极之间的正向电压UAK减小到0或加反向电压
GTO的驱动电路
门极可关断晶闸管（GTO）的导通过程与普通晶闸 管相似，可以用正门极电流开通。但在关断过程中， GTO可以采用负的门极电流关断，这一点与普通晶闸管 完全不同。 影响关断的因素很多，例如阳极电流越大越难关断， 电感负载较电阻负载难以关断，工作频率越高、结温越 高越难以关断。 所以欲使GTO关断，往往需要具有特殊 的门极关断功能的门极驱动闸管的种类 2、门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor —GTO） 是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
GTO的驱动电路
3）门极反偏
与普通晶闸管相比，GTO由于结构原因使得其承受电
压上升率的能力较差，例如阳极电压上升率较高时可 能会引起误触发。 可以设置一个门极反偏电路，在GTO正向阻断期间于 门极上施加反偏电压，从而提高承受的能力。 但反偏电压的幅度必须小于门极反向雪崩电压，持 续时间可以是几十微秒和整个阻断状态所处的时间， 这样有利于GTO的安全运行。
7.2 场效应管
场效应管与三极管一样，具有放大能力。场效应管有 漏极（D）、栅极（G）和源极（S）。 实验演示
7.2 场效应管
一、结构与工作原理 1、结构 场效应管由P型半导体和N型半导体组成。
一、结构与工作原理 2、工作原理：场效应管在电路中主要用作放大信号电压。 当在D、S之间加上正向电压UDS，会有电流从D极流向S极 若在G、S极之间加上反向电压UGS（P型半导体接低电位，N型半导体 接高电位），场效应管内部的两个耗尽层变厚，沟道变窄，由D极流 向S极的电流ID就会变小，反向电压越高，沟道越窄，ID电流越小。 若在G、S极之间加上正向电压UGS（P型半导体接高电位，N型半 导体接低电位），场效应管内部的两个耗尽层导通，耗尽层消失， 不管如何增大 G 、 S极的电压，沟道宽度都不变， ID 电流也不变，即 无法控制ID电流。
GTO的驱动电路
2） 门极关断
已导通的 GTO 靠门极反向电流来关断，它是 GTO 应用中的