1、250什么是电力电子技术?答：通常所说的电子技术包括信息电子技术和电力电子技术，模拟电子技术和数字电子技术都属于前者，而后者是应用于电力领域的电子技术，即应用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。251电力变换包含哪些内容?答：电力变换通常分为四大类，即交流变直流(整流)、直流变交流(逆变)、直流变直流(直流斩波) 和交流变交流。其中交流变交流可以是电压或电力的变换，叫做交流电力控制，也可以是频率和相数的变换，进行上述电力变换的技术叫做变流技术。252什么是电力电子器件?答：在电力系统或电力设备中，主电路承担着电能的变换或控制任务，电力电子器件是直接用于主电路中实现电能的变换或控制的电子器件
2、。目前电力电子器件一般专指电力半导体器件。253电力电子器件如何分类?答：按照电力电子器件被控制信号所控制的程度，可分为以下三类：(1)不可控器件指不能用控制信号来控制其导通和关断的电力电子器件，例如电力二极管。(2)半控型器件通过控制信号可以控制其导通，而不能控制其关断的电力电子器件叫做半控型器件，例如晶闸管及其大部分派生器件等都是半控型器件。(3)全控型器件又叫自关断器件。指控制信号既能控制其导通，也能控制其关断的电力电子器件。常用的有门极关断(GTO) 晶闸管、电力晶体管(GRT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 和电力场效应晶体管(P MOSFET)。根据器件内部电子和空穴两种载流子参
3、与导电的情况，电力电子器件又可分为单极型器件(一种载流子参与导电)、双极型器件(两种载流子参与导电)和混合型器件( 由单极型和双极型两种器件混合而成的器件)。按照控制信号的不同，还可将电力电子器件(电力二极管除外)分为电流驱动型和电压驱动型，后者又叫场控器件或场效应器件。254电力二极管有哪些基本特性?答：电力二极管主要有以下两种基本特性：(1)静态特性主要指其伏安特性，当它承受的正向电压大到一定值时(此值叫门槛电压) ，正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流对应的电力二极管两端电压为正向电压降。电力二极管承受反向电压时，只通过数值微小的反向漏电流。(2)动态特性 由于电力二极管
4、的 PN 结存在结电容，因此在零偏置、正向偏置和反向偏置这三种状态之间转换的时候，需要一定的时间，我们称之为过渡过程，其 PN 结的一些区域带电状态是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性。255常用的电力二极管有哪些主要类型?答：在电力电子电路中，电力二极管有广泛的应用，它可以作为整流、续流，以及电压隔离、钳位、保护等器件。在应用时，要按实际要求选择不同类型的电力二极管。其主要类型有： (1)普通二极管 又叫整流二极管，多用于开关频率不高(1kHz 以下 )的整流电路中。其反向恢复时间一般大于 5S ，而正向电流额定值和反向电压额定值可以达到数千安和数千伏以上。(2)快恢复二极管简称快速二
5、极管。其反向恢复时间小于 5s ，快恢复外延二极管反向恢复时间更短，在 100ns 以下。(3)肖特基二极管 其优点是反向恢复时间很短，一般为 1040ns ；正向恢复过程中没有明显的电压过冲；开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管小。其缺点是反向漏电流大且对温度敏感；当提高反向耐压时，其正向压降也相应增加，甚至不能满足要求。256电力二极管有哪些主要参数?答：电力二极管有以下几种主要参数。(1)正向平均电流 IF(AV)指电力二极管在稳定运行时，在规定的管壳温度和散热条件下，所允许通过的最大工频正弦半波电流的平均值。此时，管子正向压降的损耗引起的结温升高不会超过所允许的最高工作结温。在此提醒读
6、者，电力二极管的额定电流是用其正向平均电流 IF(AV)标称的，经换算可知，此时与之对应的电流有效值是 1.57IF(AV)。(2)正向压降 VF 电力二极管在规定的温度下，流过一定的稳态正向电流时埘应的正向压降。(3)反向重复峰值电压 VRRM 指对电力二极管能重复施加而不被反向击穿的反向最高峰值电压。其值一般是电力二极管雪崩击穿电压 VR 的 2/3。(4)最高工作结温 TJM 结温是指 PN 结的平均温度，最高工作结温是指在 PN 结不致损坏的条件下，电力二极管所能承受的最高平均温度，通常为 125175。(5)涌浪电流 IRSM 指电力二极管能承受的连续一个或几个工频周期的最大电流。2
7、57什么是晶闸管?它有哪些用途?答：晶闸管是晶体闸流管的简称，它包括普通晶闸管和双向、门极关断、逆导、快速等晶闸管。普通晶闸管(Thyristor) 曾称为可控硅整流器，常用 SCR(Siliccm Controlled Rectifier)表示。在实际应用中，如果没有特殊说明，晶闸管皆指普通晶闸管。晶闸管主要用来组成整流、逆变、斩波、交流调压、变频等变流装置和交流开关以及家用电器实用电路等中，由于上述装置特别是变流装置是静止型的，具有体积小、寿命长、效率高、控制性能好，并且具有无毒、无噪声、造价低、维修方便等优点，因此得到广泛的应用。258如何区分晶闸管的三个电极?答：晶闸管是一种四层(PN
8、PN)三端(A 、K、G)电力半导体器件，工业上应用的晶闸管功率较大，其结构、外形和图形符号如图 3-1 所示。从外形上分，有螺栓形和平板形，三个引出端分别叫做阳极 A、阴极 K、门极 G。对于螺栓形晶闸管，螺栓是阳极，粗辫子为阴极，细辫子为门极。而平板形晶闸管，两侧是阳极和阴极，由中间金属环边缘引出的细辫子是门极，门极离阴极较近。目前，200A 以上的晶闸管都采用平板形结构，主要原因是散热效果好。三个电极不能从外形上区分时，可采用第 259 题(1)中所述的方法区分。259怎样鉴别晶闸管的好坏?答：在没有专用测试设备的条件下，可通过下述方法判断晶闸管能否投入工作。(1)将万用表置于 R10k
9、 档，测量阳极一阴极之间和阳极一门极之间的正、反向电阻，正常值都应在几百千欧以上；门极-阴极之间正向电阻约数十欧到数百欧，反向电阻较正向电阻略大。测量时，特别是测量门极一阴极之问的阻值时，绝不允许使用 R10k 档，以防止表内高压电池击穿门极的 PN 结。测量时，如发现任何两个极短路或门极对阴极断路，说明晶闸管已经损坏。(2)按照(1)所述方法，只是初步鉴别晶闸管的好坏，能否投入工作，还需按图 3-2 所示的方法接线进行实验。欲使晶闸管导通，需要同时具备两个条件，即在晶闸管阳极一阴极间加正向电压以及给门极加正向电压，使足够的门极电流 Io 流入。因此，按图 3-2 接线，闭合 S 时，小灯泡不
10、亮，再按一下 SB，小灯泡如果发亮，说明晶闸管良好，能够投入电路工作。以上是鉴别晶闸管好坏的一种简易方法，如果想要进一步知道品闸管的特性和有关参数，则需要查产品合格证上所标的测试参数或用专门测试设备进行测试。260晶闸管的型号表示什么意义?答：以 KP 型普通晶闸管为例来说明晶闸管型号的含义。KP200-14 表示额定电流为 200A，额定电压为 1400V。晶闸管的额定电压在 1000V 以下用百位数表示； 1000V 及以上用千位和百位数表示。261晶闸管是如何触发导通的?答：在品闸管阳极-阴极之间加正向电压，门极也加正向电压，产生足够的门极电流 Ig 时晶闸管导通，其导通过程叫做触发。晶
11、闸管是四层三端器件，具有三个 PN 结，可将它等效成两个晶体管 VT1(P1N1P2)和 VT2(N1P2N2)，如图 3-3 所示。VT1、VT2 的集电极电流分别为 Icl=a1Ia，Ic2=a2Ik，发射极电流分别为 IE1=Ia，IE2=Ik。当晶闸管承受正向电压时，欲使晶闸管导通，必须使承受反压的 J2 结失去阻挡作用。从图 3-3c 可见，每个晶体管的集电极电流同时是另一个晶体管的基极电流，因此，一旦门极流入足够的电流 Ig，就会形成强烈的正反馈，即在很短的时间内，使两个晶体管饱和导通，即晶闸管导通。 262晶闸管的静态特性是怎样的?答：晶闸管的静态特性主要是指它的伏安特性，如图
12、3-4 所示。位于第 I象限的为正向特性，它又分为阻断状态和导通状态；位于第象限的为反向特性。当 Ig=0 时，逐渐升高晶闸管的正向阳极电压，此时只有很小的漏电流通过晶闸管，当正向阳极电压上升到某一数值(此电压值叫转折电压)时，晶闸管从断态转为通态，这种情况叫“硬开通”(多次“硬开通”会损坏晶闸管)。通态下，晶闸管的伏安特性和二极管正向特性相似，即通过较大的电流而本身压降仅为 1V 左右。门极电流上升，转折电压下降，当门极电流足够大时，转折电压很小，此时，晶闸管和二极管等同，一旦承受正向电压，管子就能导通。晶闸管在反向电压的作用下，总是处于阻断状态，直到反向电压增加到反向击穿电压时，管子反向击
13、穿，电流急剧增大，导致管子损坏，其反向特性类似于二极管。263晶闸管的动态特性是什么?答：晶闸管开通与关断动态过程的波形如图 3-5 所示。图中，在 t=0 时，在晶闸管承受正向电压的前提下，门极流入触发电流 Ig，晶闸管导通，进入正常工作状态；在 t=t1 时，晶闸管承受电压由正向变为反向，使晶闸管关断。在导通过程中，阳极电流从零开始增长，升到稳态值的 10时，这段时间叫延迟时间 td，阳极电流从稳态值的 10上升到 90所需要的时间叫做上升时间 tr，两者之和被定义为晶闸管的开通时间，即 tgt=td+tr。晶闸管关断也不是瞬时完成的，流过晶闸管的电流从稳态值降到接近于零的时间，为晶闸管的
14、反向阻断恢复时间 trr。此后，载流子需要复合，晶闸管恢复对正向电压阻断能力还需要一段时间，即正向阻断恢复时间 tgr，在此特别提醒读者，在正向阻断恢复时间内，若对晶闸管重新施加正向电压，则管子会立即导通，而无需门极电流的控制。两者之和被定义为晶闸管的关断时间，即 tq=trr+tgr264晶闸管有哪些主要参数?答：晶闸管参数都和结温有关，主要的参数有：(1)电压定额1)断态重复峰值电压 VDRM 指允许重复加在晶闸管阳极- 阴极间的正向峰值电压，规定它的数值为断态不重复峰值电压 VD 刚的 90。2)反向重复峰值电压 VRRM 指允许重复加在晶闸管阳极-阴极间的反向峰值电压，规定其值为反向不
15、重复峰值电压 VRSM 的 90。3)额定电压 VTN 通常取实测的 VDRM、VRRM 中的较小值，按规定的标准电压等级就低取整数，即为晶闸管的额定电压。4)通态平均电压 VT(管压降) 在规定的环境温度和标准散热条件下，晶闸管通过正弦半波的额定通态平均电流时，阳极一阴极间电压降的平均值叫通态平均电压，其值为 0.41.2V。(2)电流定额1)通态平均电流 IT(AV) 晶闸管在环境温度为 40时和规定的冷却条件下，结温不超过额定结温时，所允许通过的最大工频正弦半波(不小于 170)通态电流在一个周期内的平均值。在此特别提醒读者，晶闸管的额定电流就用其通态平均电流按电流标准等级就低取整数标定
16、，而晶闸管通过的额定电流有效值 ITN 则为 ITN=1.57IT(AV)。2)维持电流 IH 晶闸管在导通状态下，维持晶闸管导通的最小阳极电流叫维持电流。3)擎住电流 IL 晶闸管从断态转入通态，当阳极电流升到某值时，去掉门极信号，如果仍能维持管子导通，所需要的最小阳极电流叫擎住电流。对同一个管子来说，擎住电流 IL 为维持电流 IH 的 24 倍。4)涌浪电流 ITSM 由于电路异常使结温超过额定值的不重复性最大通态过载电流。涌浪电流有两级，可作为设计保护电路的依据。(3)门极定额1)门极触发电流 OGT 使晶闸管由断态转入通态所必需的最小门极电流。2)门极触发电压 VGT 产生门极触发电
17、流 IGT 所必需的最小门极电压。(4)动态参数除开通时间 tgt 和关断时间 tq 外，还有：1)断态临界电压上升率 ddt 晶闸管在额定结温和门极断路的情况下，不导致管子从断态转入通态的外加电压最大上升率。2)通态临界电流上升率 didt 在规定的条件下，晶闸管由断态转入通态时，能承受而不致损坏的通态电流最大上升率。(5)额定结温 Tj晶闸管在正常工作时允许的最高结温在此温度下，一切有关的额定值和特性都得到保证。265变流装置中所用的晶闸管的额定电压值为什么比电路电压值大得多?答：晶闸管的过载能力差是它的主要缺点之一。因此在选择晶闸管时，必须留有安全裕量，通常按下式选取晶闸管的额定电压值：
18、VTN=(23)VM式中，VTN 为晶闸管额定电压(V)；VM 为晶闸管在电路中可能承受的最大正向或反向电压值(V) 。例如在单相电路中，交流侧正弦相电压的有效值是 220V，晶闸管承受的最大电压为其峰值，即按上式算出晶闸管的额定电压 VTN 为VTN=(23)311V=622933V在此范围内按标准电压等级取 700V(或 800V、900V)。标准电压等级：在 1000V 以下，每隔 100V 为一级；如 100V、200V、；10003000V 每隔 200V 为一级，如 1000V，1200V、。同理，在三相电路中，交流侧正弦线电压有效值为 380V，则晶闸管的额定电压 VTN 为按标
19、准电压等级取 1200V、1400V、1600V 中任一值均可。额定电压取得高些，则工作更为可靠，但额定电压高的晶闸管，价钱要贵。因此，选取晶闸管的额定电压只要能满足工作需要、保证安全工作即可，不必追求过大裕量。266晶闸管的额定电流和其他电气设备的额定电流有什么不同?答：由于晶闸管整流设备的输出端所接负载常用平均电流来衡量其性能，所以晶闸管的额定电流不像其他电气设备那样用有效值来标定，而是用在一定条件下的最大通态平均电流按电流标准等级就低取整数来标定。所谓通态平均电流是指工频正弦半波(不小于 170)的通态电流在一周期内的平均值，常用 IT(AV)表示。晶闸管的额定值及特性参数见表 3-1
20、和表 3-2。267怎样选取晶闸管的额定电流?答：晶闸管在工作中，其结温不能超过额定值，否则就会使晶闸管因过热而损坏。晶闸管的额定结温：IT(Av)50A 时为 100；TT(AV)=1001000A 时为 115，结温的高低由发热和冷却两方面的条件决定。发热多少和流过晶闸管的电流有效值有关，只要流过晶闸管的实际电流有效值等于(小于更好)晶闸管的额定电流有效值，晶闸管的发热就被限制在允许范围之内。晶闸管的额定电流用有效值表示，根据通态平均电流 IT(AV)定义，求出两者关系为ITN=1.57IT(AV)此式表明，额定电流为 100A 的晶闸管，能通过电流的有效值为 157A，其余以此类推。根据
21、变流装置的形式、负载平均电流 ILd，晶闸管导通角 ，可以求出通过晶闸管的实际电流有效值 IT。考虑到晶闸管的过载能力差，在选择晶闸管的额定电流时，取实际需要值的 1.52 倍，使之有一定的安全裕量，保证晶闸管可靠运行。因此，根据有效值相等原则，通常按下式计算晶闸管的额定电流 IT(AV)(A)：例如单相半波可控整流电路，电阻性负载，已知电源电压有效值 V2=220V，负载平均电流 ILd=20A，导通角 =120，求得流过晶闸管的实际电流有效值 IT=37.6A，按上式算出 IT(AV)为按标准电流等级取整数，由于没有 3648A 之间的等级，所以取 50A。简捷算法：由于安全裕量为 1.5
22、2 倍，如果取 1.57，则有 IT(AV)IT，只要求出 IT，按标准电流等级就高取值，就能满足要求。上例中 IT=37.6A，不难得出晶闸管的额定电流应取 50A 的结论。268某变流装置的一个晶闸管损坏。换上同一型号的晶闸管之后，其温升较高，是什么原因?答：由于晶闸管的工作条件没有变化，因此温升较高的原因在于品闸管本身。温升的大小由发热和冷却两方面条件决定，后者未变，说明是发热较严重，而发热的原因是损耗，主要是导通时的管匝降 VT 引起的损耗，还有断态重复峰值电流 IDRM、反向重复峰值电流 IRRM 引起的损耗，门极损耗和开关频率引起的损耗。综上所述，引起温升较高的原因，主要是新换上的
23、晶闸管压降 VT 较大造成的。269为什么晶闸管在夏天比冬天容易出故障?答：晶闸管在正常工作时所允许的最高结温叫额定结温，在此温度下，一切有关的额定值和特性都得到保证。夏天时，环境温度和冷却介质的温度都较高，使晶闸管的冷却条件变差，导致晶闸管结温过高而损坏。另外，晶闸管结温上升，使所需要的门极触发电压 VGT，门极触发电流 IGT 降低，晶闸管在外来干扰下容易造成误触发。总之，结温上升，使晶闸管的参数发生变化，性能变差，所以容易出现故障。解决办法是加强冷却或降低定额使用，确保晶闸管的结温不超过额定值。270为什么晶闸管在夏天工作正常，而到了冬天就不可靠了?答：主要原因是冬天的环境温度和冷却介质
24、的温度都较低，因而晶闸管的结温较夏天低，导致门极触发电压 VGT、门极触发电流 IGT 偏高，使原来的触发电路发出的触发信号不能使晶闸管导通。解决的办法是适当提高触发信号的功率，使加到门极上的电压、电流离不可靠触发区远一些，即留有一定裕量，即使温度变化，也能保证在可靠触发区内，这样就能始终保障可靠工作。271晶闸管在使用时门极常加上负电压，有何利弊?答：晶闸管门极加负电压的好处是避免干扰造成的误触发，但负电压的最大值不能超过 5V；不利方面是门极损耗增加，且晶闸管的触发灵敏度降低。272在调试晶闸管整流器时，有触发脉冲时晶闸管导通，脉冲消失后又关断，是什么原因?答：在晶闸管的阳极一阴极间加正向
25、电压，门极上有正向触发脉冲时，晶闸管被触发导通。此后阳极电流逐渐上升到擎住电流 IL 时，去掉触发脉冲，则管子继续导通，直到电流升到负载电流后，进入正常工作状态。如果阳极电流还没有升到擎住电流值就去掉门极脉冲，晶闸管就不能继续导通而关断。此情况多发生在电感性负载时，解决办法是增加触发脉冲的宽度。另一种情况是负载电阻过大，阳极电流根本升不到擎住电流值，此时要调整负载电阻，才能解决。对于同一晶闸管来说，擎住电流 IL 通常为维持电流 IH 的 24 倍，后者在产品合格证或有关资料中可以查到。273主电路电源电压正常，门极加上触发脉冲后晶闸管不导通，是什么原因?答：主要原因有：(1)触发电路功率不足
26、。(2)脉冲变压器极性接反。(3)负载断开。(4)门极一阴极间并联的保护二极管短路。(5)晶闸管损坏。274主电路加电源电压后，不加触发脉冲晶闸管就导通，是什么原因?答：主要的原因是：(1)晶闸管本身触发电压低，门极引线受干扰，引起误触发。解决办法是在门极上常加一不超过 5V 的负电压。(2)环境温度和冷却介质的温度偏高，使晶闸管结温偏高，导致晶闸管的触发电压降低，在干扰信号下造成误触发。加强冷却、降低结温就可解决。(3)晶闸管额定电压偏低，使晶闸管在电源电压作用下“硬开通”，此时需要更换晶闸管。(4)晶闸管的断态电压临界上升率 ddt 偏低或晶闸管侧阻容吸收回路断路。如图 3-6 所示，晶闸
27、管在正向电压的作用下，PN 结 J2 反向偏置而使之阻断。但是 J2 结在阻断状态下相当于一个电容，当正向电压变化时，便会有充电电流流过，此电流流经 J3 时，起到触发电流的作用。如果 ddt 太大，导致充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。利用电容两端电压不能突变的特点，在晶闸管两端并联一个阻容吸收回路，限制断态电压上升率，就可防止晶闸管误导通。275晶闸管在工作中过热，是哪些原因引起的?答：从发热和冷却两方面找原因，主要有：(1)晶闸管过载。(2)通态平均电压即管压降偏大。(3)门极触发功率偏高。(4)晶闸管与散热器接触不良。(5)环境温度和冷却介质温度偏高。(6)冷却介质流速过低。276晶
28、闸管在运行中烧坏的原因有哪些?答：主要原因有：(1)长期过热。(2)输出端短路、过电流保护失去作用。(3)晶闸管并联运行时，因正向特性不一致，管压降小的晶闸管分担电流较大而易烧坏；如果有一只先导通，则因通过全部负载电流而烧坏。一只烧坏，增加了其余晶闸管的负担，如不及时停止运行，就会产生连锁反应，直到并联的晶闸管全部烧坏。解决的办法是：1)尽量选用特性一致的晶闸管。2)采用强触发，触发脉冲前沿要陡、幅值要大，确保开通时间一致。3)要有可靠的均流措施。(4)晶闸管串联运行时，因特性不一致，在阻断状态下，漏电流小的晶闸管分担的电压较大而易击穿损坏；如果导通时间不一致最后导通的晶闸管因承受全部电压而损
29、坏。解决的办法是尽量选用特性一致的晶闸管，采用强触发和可靠的均压措施。(5)晶闸管用于交流调压，反并联的两只晶闸管工作不对称，在回路中有直流分量通过，使其中一只晶闸管过载，严重不对称时，将烧坏晶闸管。(6)通态电流上升率 didt 超过晶闸管的额定值。晶闸管触发导通后，首先在门极附近形成导通区，随着时间的推移，逐渐扩大,直到全部结面导通，如图 3-7 所示。如果电流上升太快，过大的电流集中在门极附近的小区域内通过，会造成局部过热而使晶闸管损坏。限制电流上升率避免晶闸管损坏的有效措施是，在晶闸管的回路中串人电抗器，实际应用中，常在引线上套上小磁环，其电感量为 2030H。277门极关断晶闸管具有
30、怎样的结构和工作原理?答：门极关断(GTO)晶闸管 (Gate Turn-Off ThyristOr)是晶闸管的一种派生器件，可在门极施加负的脉冲信号而使之关断，因而属于全控型器件。它的结构和普通型晶闸管一样，所不同的是，GTO 晶闸管是一种多元的功率集成器件，其内部包含数十个甚至数百个共阳极的 GT0 晶闸管元，因而在兆瓦级以上的大功率场合得到较多的应用。GTO 晶闸管的结构、符号和工作原理电路图如图 3-8 所示。其共基极电流放大系数分别为a1、a2，通常 a1 较小，a2 较大。GTO 晶闸管导通时，总的放大系数 a1 十 a2 略大于 1 而近似等于 1，即近于临界导通状态，这是在门极
31、施加负的脉冲信号能够关断的关键条件。而普通晶闸管导通时，总的放大系数 a1+a2 比 1 大得多，处于深度饱和状态，所以不能用负的门极信号使普通晶闸管关断。如图 3-8c 所示，当开关 S 置向“1”处时，只要门极流入足够的电流 Ig，则和 SCR 一样，在 GTO 晶闸管等效成的两个晶体管内部形成强烈的正反馈使之导通。当开关 S 置向“2”处时，门极电流为-Ig，即等效晶体管电流被抽出，使其电流减小，导致 a1+a2 下降，到 a1+a2BVCEXBVCESBVCWRVa(BVCEO)，其中 BVCEO 叫做一次击穿电压。由上述可之，在发射结上施加反向偏压，可以提高集电极的击穿电压值，因此图
32、 3-11e 电路应用较为普遍。(2)集电极最大电流 ICM 通常规定，直流电流放大系数 hFE 下降到规定值的1213 时所对应的集电极电流 IC 为集电极最大电流 ICM。实际应用中要留有裕量，一般用到 ICM 的 12 或稍多一点。(3)集电极最大耗散功率 PCM 指在最高工作温度时允许耗散的功率。产品说明书中通常同时给出 PCM 和壳温 Tc，间接表示出最高工作温度。283电力场效应晶体管具有怎样的结构和工作原理?答：电力场效应晶体管通常指绝缘栅型中的 MOS 型场效应晶体管，简称电力 MOSFET。而结型电力场效应晶体管则称为静电感应晶体管(Static Induction Tran
33、sistor)，简称 SIT。这里只介绍前者。按导电沟道分成 N 沟道和 P 沟道，当栅极电压为零时，漏极一源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型；栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道的叫做增强型。在电力 MOSFET 中，主要是 N 沟道增强型，本题只介绍具有垂直导电双扩散 MOS 结构的 VDMOSFET(Vertical Double-diffused MOSFET)，如图 3-12 所示。图中三个引脚，S源极，G栅极，D漏极。由图 3-12a 可见，源极金属电极将 N+区和 P 区连接在一起，因而，源极一漏极之间形成了一个寄生二极管，故电力 MOSFET 常用图 3-12b 表示。在变流
34、电路中，为避免过大的反向电流流过而导致元件损坏，常在元件外部并接快速二极管 VD2 和串接二极管 VD1，如图 3-12c 所示。在 N 沟道增强型电力 MOSFET 器件中，当栅源电压 VGS 为负时，不可能出现沟道，因而无法沟通源区与漏区，即使栅源电压为正但数值不够大时，同样不会出现沟道使源区与漏区沟通。因此在上述情况下，电力 MOSFFT 都处于关断状态，即使加上正向漏极电压 VDS，也没有漏极电流 iD 出现。只有当栅极电压大于开启电压 VT 时，才能形成沟道，把源区与漏区沟通，在正向漏极电压下，使电力 MOSFET 进入导通状态。284电力场效应晶体管具有怎样的静特性?答：从以下三个
35、方面说明。(1)输出特性以栅源电压 GS 为参变量，反映漏极电流 iD 和漏源电压 DS 之间关系的曲线族叫做电力 MOSFET 的输出特性，如图 3-13a 所示。图中，为非饱和区，为饱和区，为雪崩区。在区内，器件的电阻值是变化的，因而也叫可调电阻区。由于沟道已经形成，只要有一定的漏源电压 DS，就有相应的漏圾电流 iD 流通。因漏源电压 DS 较小，它对沟道的影响可以忽略，这样沟道宽度和沟道载流子的迁移率基本不变，所以 iD 和 DS 呈现线性关系，当 Ds 较大时，随着 DS 的增加沟道变窄，又因沟道载流子将达到散射极限速度，因而 iD 增加缓慢，使沟道等效电阻增加，直到沟道被夹断即沟道
36、载流子达到散射极限速度时，沟道载流子的运动摆脱了沟道电场的影响而进入区，此后 iD 基本不再变化。当漏源电压 DS 增加到一定程度时，漏极 PN 结发生雪崩击穿，iD 突然上升，进入区，在应用中要避免这种情况发生，以免损坏管子。(2)饱和压降特性 电力 MOSFET 为单极型器件，通态电阻较大，饱和压降较高，因而导通时损耗大。(3)转移特性栅源电压 GS 与漏极电流 iD 之间的关系叫转移特性，如图 3-13b 所示。图中，特性曲线的斜率IDVGS 表示电力 MOSFET 的放大能力，用跨导 Gfs 表示。285电力场效应晶体管具有怎样的动特性?答：图 3-14 给出了测量电力 MOSFET
37、开关特性的电路及波形。图中，Rs 为矩形脉冲电压信号源 p 的内阻，RG 为栅极电阻，RF 为漏极负载电阻， Rf 为用于检测漏极电流设置的电阻。由于电力 MOSFET 存在输入电容 Cin,因而 p 的前沿到达时，Cin 有充电过程，栅极电压 GS 呈指数曲线上升，如图 3-14 所示，当 GS 上升到开启电压T 时，漏极电流 iD 开始出现，定义从 p 前沿到 iD 出现时刻这段时间为开通延迟时间 td(on)。此后，iD 随 GS 的上升而上升。定义栅极电压 GS 从开启电压 T 上升到电力 MOSFET 进人非饱和区时的栅极电压 GSP 这段时间为上升时间 tr，漏极电流 iD 也达到
38、稳态值，其值由漏极电源电压 E 和漏极负载电阻 RL 决定，GSP 的大小和 iD 的稳态值有关，直到 GS 升到稳态值，但 iD不再变化。电力 MOSFET 的开通时间 ton 为开通延迟时间 td(on)与上升时间 tr之和，即 ton=td(on)+tro当 p 下降到零时，栅极输入电容 Cin 通过 Rs 和 RG 放电，GS 按值数曲线下降，降到 GSP 时，iD 开始减小，这段时间定义为关断延迟时间 td(off)。接着，Cin 继续放电，栅极电压 GS 从 GSP 值继续下降，iD 减小，到 GS20V 时将会击穿绝缘层。(4)极间电容 电力 MOSFET 三个电极之间分别存在着
39、极间电容 CGS、CGD 和 CDS，一般生产厂提供的是漏源极短路时的输入电容 ciss 即前面提到的 Cin、共源极输出电容 Coss 和反馈电容 Crss 它们之间的关系是Ciss=CGS+CGD Coss=CDS+CGD Crss=CGD(5)电压上升率 ddt 耐量 它有三种不同形式，即静态 ddt 、动态 ddt 和二极管恢复期 ddt。287绝缘栅双极型晶体管具有怎样的结构和工作原理?答：绝缘栅双极型晶体管(Insulated-Gate Bipolarnansistor-IGBT)通常称为 Bi-MOS 器件，它综合了 GTR 和电力 MOSFET 的优点，因而具有良好的性能。图
40、3-15 给出了 IGBT 的结构图、等效电路和图形符号。由图可知， IGBT 是在电力 MOSFET 的基础上，增加了一个 P+层发射极，形成 PN 结 JI 由此引出集电极，而栅极 G 和发射极E 则与电力 MOSFET 的栅极和源极相似。IGBT 相当于一个由电力 MOSFET 驱动的具有厚基区的 GTR，其等效电路图如图 3-15b 所示，图中，Rdr 是厚基区 GTR 内的调制电阻。从等效电路可以看出，lGBT 是以 GTR 为主导器件，电力 MOSFET 为驱动器件的达林顿结构器件，这种结构叫 N 沟道 IGBT，它由 PNP 型晶体管和 N 沟道电力 MOSFET 组合而成，图形
41、符号如图 3-15c 所示，P 沟道 IGBT 的符号仅将箭头方向反向即可。IGT 的开通与关断是由栅极和发射极间的电压 VGE 控制的。当 VGE 为正且大于开启电压时，电力 MOSFET 内沟道形成，为 PNP 型晶体管提供基极电流，从而使 IGBT 导通，此时从 P+区注入到 N-区的空穴(少数载流子)对 N-区进行电导调制，减少 N-区的电阻 Rdr，使耐高压的 IGBT 具有低的通态压降。当栅极与发射圾之间施加反向电压或不加电压时，电力 MOSFET 内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，则 IGBT 关断。288绝缘栅双极型晶体管具有怎样的静态特性?答：IGBT 的静态特性主要有转
42、移特性和输出特性，后者也叫伏安特性，如图 3-16 所示。(1)转移特性 它描述的是集电极电流 ic 与栅一射极电压 GE 之间的关系，和电力 MOSFIET 的转移特性相似，如图 3-16a 所示。开启电压 VGE(th)是 IGBT 能实现电导调制而开通的最低栅-射极电压。(2)输出特性它描述的是以栅-射极电压为控制变量，集电极电流 ic 与集一射极电压 CE 之间的关系，它与 GTR 的输出特性类似，不同的是控制变量，IGBT 的控制变量为栅一射极电压 GE，而 GTR 的控制变量为基极电流 iBo IGBT的输出特性分三个区域，如图 3-16b 所示，与 GTR 的截止区、放大区和饱和
43、区相对应。当 GE0 时，IGBT 为反向阻断状态。在电力电子电路中，IGBT 工作在开关状态，在正向阻断区和饱和区之间转换。289绝缘栅双极型晶体管具有怎样的动特性?答：它包括开通过程和关断过程，如图 3-17 所示。(1)开通过程 IGBT 是由 PNP 晶体管和电力 MOSFET 组成的达林顿结构，在开通过程中，大部分时间是以电力 MOSFET 来运行的，所以它的开通过程与电力MOSFET 相似。如图所示，从栅-射极电压前沿上升到其幅值的 10的时刻起，到集电极电流上升到其最大值 ICM 的 10的时刻止，这段时间为开通延迟时间td(on)，而从最大值 ICM 的 10上升到 90所需的
44、时间为电流上升时间 tr，定义开通时间 ton 为 td(on)与 tr 之和。IGBT 开通后，集一射极电压的下降过程分为两个阶段 tfv1 和 tfv2。前者是电力 MOSFET 单独作用时的电压下降过程，后者为电力 MOSFET 和 PNP 晶体管同时作用时的电压下降过程，在 tfv2 段结束时刻，IGBT 才完全进入饱和状态。(2)关断过程从栅-射极电压后沿下降到其幅值的 90的时刻起，到集电极电流下降到最大值 ICM 的 90的时刻止，此段时间定义为关断延迟时间 td(0ff)，集电极电流从 ICM 的 90下降到 10这段时问为电流下降时间 tf，关断时间 toff 为 td(of
45、f)与 tf 之和。tf 分为两个阶段，即 tfi1 和 tfu2，前者对应于 IGBT 内部 MOSFET 的关断过程，时间较短；后者对应于 IGBT 内部 PNP 晶体管的关断过程，时间较长，会产生较大的关断损耗。290绝缘栅双极型晶体管有哪些主要参数?答：除前面提及的参数之外，还有：(1)最大集一射极电压 VCES 它是由 IGBT 内部 PNP 晶体管所能承受的击穿电压所决定的。(2)最大集电极电流包括额定直流电流 IC 和 1ms 脉宽最大电流 ICP。(3)最大集电极功耗 PCM 指在正常工作温度下，允许的最大耗散功率。291除前所述，还有哪些新型的电力电子器件?答：电力电子技术的
46、核心是电力电子器件。近十几年来,随着微电子技术、计算机技术的发展，不断涌现出新型的电力电子器件，从而使电力电子技术进入了一个新的时代。有专家预言，大功率集成电路的不断完善，将使电子学步入第二次革命的前沿。现将主要的新型电力电子器件简介如下：(1)MOS 控制晶闸管(MCT) MCT(MOS ControlledThyristor)是将 MOSFET 与晶闸管组合而成的复合器件。它具有 MOSDET 的高输入阻抗、低驱动功率、开关速度快和晶闸管的高电压、大电流、低导通压降的优点，也是 Bi-MOS 器件的一种。一个 MCT 器件由数以万计的 MCT 元组成，每个元都是由一个 PNPN 晶闸管、一
47、个控制该晶闸管导通的 MOSFET 和一个控制该晶闸管关断的 MOSFET 组成。(2)静电感应晶体管(SIT) SIT(Static InductionTransistor)是一种结型场效应晶体管，它是一种多子导电的器件，其工作频率和电力 MOSFET 相当，而功率容量比电力 MOSFET 要大，因而适合于高频、大功率场合，例如雷达通信设备和高频感应加热等。(3)静电感应晶闸管(SITH) SITH(Static InductionThyristor)是在 SIT的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同的发射极层而得到的，其工作原理与 SIT 类似，因而又叫场控晶闸管(FCT)。由于比 SIT
48、 多了一个具有少子注入功能的 PN 结，因此 SITH 是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强，很多特性与 GTO 晶闸管相似，但开关速度比 GTO 晶闸管高。(4)集成门极换流晶闸管(IGCT) IGCT(IntegratedGate-Commutated Thyristor)有时也叫 GCT，即门极换流晶闸管。它将 IGBT 与 GTO 晶闸管的优点结合起来，容量和 GTO 晶闸管相当，开关速度比 GTO 晶闸管快一个数量级，且省去应用 GTO 晶闸管时复杂而庞大的缓冲电路，但所需驱动功率仍很大。(5)功率模块与功率集成电路将多个相同的电力电子器件或多个相瓦
49、配合使用不同的电力电子器件封装在一个模块中，可减小装置体积、降低成本、提高可靠性，更突出的是，当电路工作频率较高时，可大大减小线路电感量，可简化对保护电路和缓冲电路的要求。这种模块叫做功率模块(Power Module)，或按照主要器件命名，例如 IGBT 模块等。将电力电子器件与逻辑、保护、控制、检测、传感等功能单元制作在同一芯片上，则叫做功率集成电路(Power IntegratedCircuitPIC)。与之类似的还有许多各自有所侧重的名称，例如高压集成电路(HVIC)、智能功率集成电路(SPIC)等，而智能功率模块(IPM)则专指 IGBT 及其辅助器件与其保护电路、驱动电路的单片集成，也称为智能 IGBT。292什么是电力电子器件的驱动电路?答：电力电子器件的驱动电路是主电路与控制电路之间的接口，它对设备的性能有很大的影响。驱动电路性能良好，可使器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间、减小开关损耗，对设备的运行效率、安全性和可靠性都有重要意义。29
