第三讲 几种常用的功率器件（电力半导体）及其应用

3.1 普通晶闸管

普通晶闸管（又称可控硅）是一种大功率半导体器件，主要用于大功率的交直流变换、调压等。晶闸管三个电极分别用字母 A( 表示阳极 ) 、 K （表示阴极）、 G （表示门极）。

2

13

阳极

阴极

控制极

A

KG

退出

1 ．晶闸管的伏安特性 晶闸管的伏安特性如图 2.7.1 所示。它表示晶闸管的阳极与阴极间的电压和它的阳极电流之间的关系。通过特性曲线，可得出晶闸管导通和关断的下列结论。

在正常情况下，晶闸管导通的必要条件有两个，缺一不可：（ 1 ）晶闸管承受正向电压（阳极电位高于阴极电位）。（ 2 ）加上适当的正向门极电压（门极电位高于阴极电位）。晶闸管一旦导通，门极就失去了控制作用。正因为如此，晶闸管的门极控制信号只要是正向脉冲电压就可以了，称之为触发电压或触发脉冲。 退出

要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压，或者给阳极加反向电压，或者降低正向阳极电压，这样就使通过晶闸管的电流降低到一定数值以下。能保持晶闸管导通的最小电流，称为维持电流。当门极没有加正向触发电压时，晶体管即使阳极和阴极之间加上正向电压，一般是不会导通的。

2 ．晶闸管的主要参数（ 1 ）断态重复峰值电压 UDRM 。指在门极开路而器件的结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。若加在管子上的电压大于 UDRM ，管子可能会失控而自行导通。（ 2 ）反向重复峰值电压 URRM 。指门极开路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。当加在管子上反向电压大于URRM 时，管子可能会被击穿而损坏。通常把 UDRM 和 URRM 中较小的那个数值标作晶闸管型号上的额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的 2 ～ 3 倍，以保整电路的工作安全。 退出

（ 3 ）额定正向平均电流 IF 。其定义和二极管的额定整流电流意义相同。要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期，即使 IF 值没超过额定值，但峰值电流将非常大，以致可能超过管子所能提供的极限。（ 4 ）正向平均管压降 UF 。指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半个周期内 UAK 的平均值，一般在 0.4 ～ 1.2V 。

（ 5 ）维持电流 IH 。指在常温门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降到刚好能保持通态所需要的最小通态电流。一般 IH 值从几十到几百毫安，视晶闸管电流容量大小而定。

（ 6 ）门极触发电流 IG 。在常温下，阳极电压为 6V 时，使晶闸管能完全导通所需的门极电流，一般为毫安级。

（ 7 ）门极触发电压 UG 。产生门极触发电流所必须的最小门极电压，一般为 5V 左右。

退出

（ 9 ）通态电流临界上升率 。在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。若晶闸管导通电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。

ti dd

3 ．晶闸管的正确使用

（ 1 ）管脚的判别。用万用表 R×100 档，分别测量各管脚间的正、反向电阻。因为只有门极 G 与阴极 K 之间正向电阻较小，而其他均为高阻状态，故一旦测出两管脚间呈低阻状态，则黑表笔所接为门极 G ，红表笔所接为阴极 K ，另一端为阳极 A 。

（ 8 ）断态电压临界上升率 。在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。一般为每微秒几十伏。

tu dd

退出

（ 3 ）晶闸管额定电压的选择。晶闸管实际工作时承受的正常峰值电压应低于正、反向重复峰值电压 UDRM 和 URRM ，并留有 2 ～３倍的额定电压值的余量，还应有可靠的过电压保护措施。

（ 4 ）晶闸管额定电流的选择。晶闸管实际工作通过的最大平均电流应低于额定通态平均电流 ITa ，并应根据电流波形的变化进行相应换算，还应有 1.5 ～２倍的余量及过电流保护措施。（ 5 ）关于门极触发电压和电流的考虑。晶闸管实际触发电压和电流应大于晶闸管参数 UGT 和 IGT ，以保证晶闸管可靠地被触发，但也不能超过允许的极限值。

（ 2 ）管子质量的判别。用万用表 R×100 档，若测的以下情况之一，则说明管子是坏的。①任两极间正反向电阻均为零。② A 、K 间正向电阻为低阻（注意：测量过程中黑表笔不要接触 G 极）。③各极之间均为高电阻。

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4. 应用电路

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3.2 双向晶闸管 就其功能来说，双向晶闸管可以被认为是一对反并联连接的单向普通晶闸管。它和单向晶闸管的区别是：第一，它在触发之后是双向导通的；第二，在门极中所加的触发信号不管是正的还是负的都可以使双向晶闸管导通。

1 ．双向晶闸管的特性

2

31

G

MT1

MT2

MT2

MT1 G

N

P

N

P

N N

1电极

1电极

2电极

2电极

门极（控制极）

门极（控制极）

退出

（ 1 ）第一象限触发　MT2+ 、 G+ 。即相对于电极 MT1 、 MT2的电压为正；门极 G 的触发电流为正。（ 2 ）第二象限触发　MT2+ 、 G– 。即相对于电极 MT1 、 MT2 的电压为正；门极 G 的触发电流为负。（ 3 ）第三象限触发 MT2– 、 G– 。即相对于电极 MT1 、 MT2 的电压为负；门极 G 的触发电流为负。（ 4 ）第四象限触发 MT2– 、 G+ 。即相对于电极 MT1 、 MT2 的电压为负；门极 G 的触发电流为正。双向晶闸管的最高触发灵敏度在第一、三象限，而在第二、四象限比较差。故在实际应用中常采用第一、第三象限触发方式。

2. 应用电路 双向晶闸管主要用于电机控制、电磁阀控制、调温及调光控制等方面 。

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光敏电阻应用电路：光控闪烁安全警示灯

当触发二极管导通时，电容通过 R2放电，可控硅再次截止；电容又被充电，等等。。。。

退出

V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

12

1

2

1 21 274L S 07

+ 5V

R 1

150 M O C 3021

1

2

4

6R 2

330

C 0 .22uF

2K

K S

Z f

¡« 220V

R 3

可控硅器件的接口

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3.3 功率场效应管 功率场效应管（ MOSFET ）是 20世纪 70年代中期发展起来的新型半导体电力电子器件。同双极型晶体管相比，功率 MOSFET具有开关速度快、损耗低、驱动电流小、无二次击穿现象等优点。目前功率 MOSFET越来越受到人们的重视，广泛应用于高频电源变换、电机调速、高频感应加热等领域。

1

343

2

1

N 沟道沟道 P

G G

D D

S S

栅极 栅极

源极 源极

漏极 漏极

退出

1 ．功率 MOSFET 的基本特点（ 1 ）开关速度高。功率 MOSFET 是一种单极型导电器件，无固有存储时间，其开关速度仅取决于极间寄生电容，故开关时间很短（小于 50 ～ 100ns ），因而具有更高的工作频率（ 100kHz 以上）。

（ 2 ）驱动功率小。功率 MOSFET 是一种电压型控制器件，既通、断均由栅源电压控制。由于栅极与器件主体是电隔离的，故功率增益高，所需的驱动功率极小，驱动电路简单。

（ 3 ）安全工作区域宽。功率 MOSFET无二次击穿现象，因此功率 MOSFET 较同功率等级的 GTR 安全工作区宽，更稳定耐用。（ 4 ）过载能力强。短时过载电流一般为额定值的 4 倍。

（ 5 ）抗干扰能力强。功率 MOSFET 的开启电压一般为 2 ～ 6V 。（ 6 ）并联容易。功率 MOSFET 的通态电阻具有正温度系数（即通态电阻值随结温升高而增加），因而在多管并联时易于均流。

退出

2 ．功率 MOSFET 的主要参数（ 1 ）漏极额定电流 ID 。指漏极允许连续通过的最大电流，在选择器件时要考虑充分的余量，以防止器件在温度升高时漏极额定电流降低而损坏器件。（ 2 ）通态电阻 RDS(ON) 。它是功率 MOSFET 导通时漏源电压与漏极电流的比值。通态电阻越大耗散功率越大，越容易损坏器件。通态电阻与栅源电压有关，随着栅源电压的升高通态电阻值将减少。这样似乎栅源电压越高越好，但过高的栅源电压会延缓MOSFET的开通和关断时间，故一般选择栅源电压为 12V 。

（ 3 ）阀值电压 UGS(th) 。指漏极流过一个特定量的电流所需的最小栅源控制电压。有人认为阀值电压 UGS(th) 小一点好，这样功率 MOS

FET 可以用 CMOS 或 TTL 等低电压电路驱动。但是太小的阀值电压抗干扰能力差，驱动信号的噪声干扰会引起MOSFET 的误导通，影响它的正常工作。

退出

（ 4 ）漏源击穿电压 U(BR)DSS 。漏源击穿电压 U(BR)DSS 是在 UGS=0 时漏极和源极所能承受的最大电压。功率 MOSFET 在工作时绝对不能超过这个电压。

（ 5 ）最大耗散功率 PD 。它表示器件所能承受的最大发热功率。一般手册中给出的是 TC=25℃时的最大耗散功率。

（ 6 ）开关时间。 td(ON) 为开通延时时间， tr 为开通上升时间， td(OF

F) 为关断延时时间， tf 为下降时间。其中 tON=td(ON)+tr 称开通时间，tOFF=td(OFF)+tf 称关断时间。这些都是表示 MOSFET 开关速度的参数，对功率开关器件来说是非常重要的。

3. 应用电路

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第四讲 模拟集成电路及其应用1.1 集成运算放大器

集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器。在该集成电路的输入与输出之间接入不同的反馈网络，可实现不同用途的电路，例如利用集成运算放大器可非常方便的完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号的处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换。集成运算放大器的种类非常多，可适用于不同的场合。

集成运算放大器可分为如下几类。

退出

调零

反相

输入

同相

输入

负电

源调

零

输出

正电

源

空脚

调零

输出

正电

源

空脚

O P 07

调零

反相

输入

同相

输入

负电

源

调零

反相

输入

同相

输入

负电

源调

零

输出

正电

源

补偿

调零

反相

输入

同相

输入

负电

源调

零

输出

正电

源

空脚

L F 351

L F 356

1

2

34

6

5

78

A D 518

调 零

反 相 输 入

同 相 输 入

负 电 源

调 零

输 出

正 电 源

补 偿

A D 545

同相

输入

反相

输入

负电

源

调零

正电

源

输出

调零

补偿

L M 318

C A 3140

L M 358

正电

源

A输

出

A反

相输

入

A同

相输

入

B同

相输

入

B反

相输

入C反

相输

入

D反

相输

入

D同

相输

入

C同

相输

入

C输

出B输

出

D输

出

负电

源

LM124/ 224/ 324

¦ÌA 7 4 1

正电

源

B 输

出

B反

相输

入

B同

相输

入

A同

相输

入

A反

相输

入

负电

源

A输

出

退出

1 ．通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。例 A741 （单运放）、 LM358 （双运放）、 LM324 （四运放）及以场效应管为输入级的 LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。

2 ．高阻型运算放大器这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般 rid＞（ 109~1012 ）， IIB 为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用 FET 作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有 LF356 、 LF355 、 LF347 （四运放）及更高输入阻抗的 CA3130 、 CA3140 等。

退出

3 ．低温漂型运算放大器在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有 OP-07、 OP-27 、 AD508 及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件 ICL7650 等。

4 ．高速型运算放大器在快速 A/D 和 D/A转换器、视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率 SR 一定要高，单位增益带宽 BWG 一定要足够大，像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有 LM318、 A715 等，其 SR=50~70V/s ， BWG＞ 20MHz 。

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5 ．低功耗型运算放大器由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便，所以随着便携式仪器应用范围的扩大，必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有 TL-022C 、 TL-060C 等，其工作电压为 ±2V~±18V ，消耗电流为 50~250A 。目前有的产品功耗已达微瓦级，例如 ICL7600 的供电电源为 1.5V ，功耗为 10W ，可采用单节电池供电。6 ．高压大功率型运算放大器运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中，输出电压的最大值一般仅几十伏，输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流，集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。例如 D41 集成运放的电源电压可达 ±150V ， A791 集成运放的输出电流可达 1A 。

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1.1.1 集成运算放大器的使用要点1 ．集成运放的电源供给方式集成运放有两个电源接线端 +VCC 和 -VEE ，但有不同的电源供给方式。对于不同的电源供给方式，对输入信号的要求是不同的。（ 1 ）对称双电源供电方式运算放大器多采用这种方式供电。相对于公共端（地）的正电源（+E ）与负电源（ -E ）分别接于运放的 +VCC 和 -VEE 管脚上。在这种方式下，可把信号源直接接到运放的输入脚上，而输出电压的振幅可达正负对称电源电压。（ 2 ）单电源供电方式单电源供电是将运放的 -VEE 管脚连接到地上。此时为了保证运放内部单元电路具有合适的静态工作点，在运放输入端一定要加入一直流电位，如图 3.2.1 所示。此时运放的输出是在某一直流电位基础上随输入信号变化。对于图 3.2.1 交流放大器，静态时，运算放大器的输出电压近似为 VCC/2 ，为了隔离掉输出中的直流成分接入电容 C3 。

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V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

1212

1 2

+

-

3

26

74

12

12

1 2

+

-

3

26

74

1 2

12

12

V 0

V 0

+

+

V i+

+

R

R

A

R 1C 1

V cc

C 2

V cc

R 1

+

+C 1

C 2

R

R

R 2

A

1M

V i

R f

(a) (b )

R f

C 3

2 ．集成运放的调零问题由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度，要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，这就是运算放大器的调零。常用的调零方法有内部调零和外部调零，而对于没有内部调零端子的集成运放，要采用外部调零方法。下面以 A741 为例，图 3.2.2 给出了常用调零电路。图 3.2.2(a) 所示的是内部调零电路；图（ b ）是外部调零电路。

退出

2

12

+

-

3

26

1 2

2

1 2

12

1 2

121

2

1 2

1 2

1 2

+

-

3

26

R wR

+

1 0 u F

1 0 K

A

(a)

-1 5 V

V + V -

R 1

R 2

R 3

5 1 K 5 1 K

1 0 0 ¦ ¸

100¦

¸

100¦

¸

(b )

3 ．集成运放的自激振荡问题运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器，在接成深度负反馈条件下，很容易产生自激振荡。为使放大器能稳定的工作，就需外加一定的频率补偿网络，以消除自激振荡。图 3.2.3 是相位补偿的使用电路。

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V C C _ C I R C L E

V C C _ C I R C L E

+

-

3

26

18

1 2

1 2

12

V +

V -

100pF

C

V i

V 0R 1

R 2

R 3

C 1

+

C 2

C 3

+ C 4

另外，防止通过电源内阻造成低频振荡或高频振荡的措施是在集成运放的正、负供电电源的输入端对地一定要分别加入一电解电容（ 10F ）和一高频滤波电容（ 0.01F~0.1F ）。如图3.2.3 所示。

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