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开关管特性实验报告1. 了解开关管的基本原理和特性。
2. 掌握开关管的触发方法和工作状态。
3. 理解开关管的电流和电压特性。
实验仪器和材料：1. 开关管（MOSFET或IGBT）。
2. 直流电源。
3. 示波器。
4. 电阻、电容、电感等元件。
实验原理：开关管是一种具有开关功能的半导体器件，通常用于控制高功率电流的开关操作。
常见的开关管有MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）和IGBT（绝缘栅双极型晶体管）。
MOSFET是一种三电极器件，包括源极、栅极和漏极。
它的工作原理是通过改变栅极与源极之间的电势差，控制漏极-源极间的电流。
当栅极与源极之间的电势差小于临界电压时，MOSFET处于截止状态，没有漏极-源极间的导电；当电势差大于临界电压时，MOSFET处于导通状态，有漏极-源极间的导电。
IGBT是一种双极型晶体管，结合了MOSFET的控制特性和双极型晶体管的导通特性。
它的工作原理是通过控制栅极-集电极间的电势差，控制集电极-发射极间的电流。
当栅极-集电极间的电势差小于临界电压时，IGBT处于截止状态，没有集电极-发射极间的导电；当电势差大于临界电压时，IGBT处于导通状态，有集电极-发射极间的导电。
实验步骤：1. 将开关管连接到直流电源，接通电源。
2. 调节电源的输出电压为适当的数值。
3. 在开关管的源极和漏极之间串联一个负载，如电阻、电容或电感。
4. 使用示波器测量开关管的输入端和输出端的电压波形。
5. 改变直流电源的输出电压，记录开关管的导通和截止状态。
6. 改变负载的数值，记录开关管的电流和电压特性。
实验结果与分析：实验中，根据不同类型的开关管（MOSFET或IGBT）和不同的电路设置，可以获得不同的实验结果。
在正常情况下，开关管处于导通状态时，输出端的电压接近于零；而在截止状态下，输出端的电压接近于输入端的电压。
在改变直流电源的输出电压时，可以观察到开关管的导通和截止状态的变化。
当电源输出电压低于开关管的临界电压时，开关管处于截止状态，没有导通电流；当电源输出电压高于开关管的临界电压时，开关管处于导通状态，有导通电流。
一、填空题1、对SCR 、TRIAC 、GTO 、GTR 、Power MOSFET 、这六种电力电子器件，其中要用交流电压相位控制的有SCR TRIAC 。
可以用PWM 控制的有GTO GTR Power MOSFET IGBT;要用电流驱动的有SCR TRIAC GTO GTR (准确地讲SCR 、TRIAC 为电流触发型器件)，要用电压驱动的有Power MOSFET IGBT ；其中工作频率最高的一个是Power MOSFET ，功率容量最大的两个器件是SCR GTR;属于单极性的是Power MOSFET;可能发生二次击穿的器件是GTR,可能会发生擎住效应的器件是IGBT ；属于多元集成结构的是Power MOSFET IGBT GTO GTR 。
2、SCR 导通原理可以用双晶体管模型来解释，其触发导通条件是阳极加正电压并且门极有触发电流，其关断条件是阳极电流小于维持电流。
3、GTO 要用门极负脉冲电流关断，其关断增益定义为最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值的比即off β=ATO GMI I ，其值约为5左右,其关断时会出现特殊的拖尾 电流。
4、Power MOSFET 通态电阻为正温度系数；其定义式为=|DS DS U GS I ≥0，比较特殊的是器件体内有寄生的反向二极管，此外，应防止其栅源极间发生擎住效应。
5、电力二极管额定电流是指最大工频正弦半波波形条件下测得值，对于应用于高频电力电子电路的电力二极管要用快恢复型二极管，但要求其反向恢复特性要软。
6、在电力电子电路中，半导体器件总是工作在开关状态，分析这类电路可以用理想开关等效电路；电力电子技术的基础是电力电子器件制造技术，追求的目标是高效地处理电力。
7、硬开关电路的电力电子器件在换流过程中会产生较大的开关损耗，主要原因是其电压波形与电流波形发生重叠，为了解决该缺陷，最好使电力电子器件工作在零电压开通，零电流关断状态；也可采用由无源元件构成的缓冲技术，但它们一般是有损耗 的。
功率晶体管（GTR)的特性功率晶体管（GTR）具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好、安全工作区宽等优点。
但存在二次击穿问题和耐压难以提高的缺点，阻碍它的进一步发展.—、结构特性1、结构原理功率晶体管是双极型大功率器件，又称巨型晶体管或电力勗体管,简称GTR。
它从本质上讲仍是晶体管，因而工作原理与一般晶体管相同。
但是,由于它主要用在电力电子技术领域,电流容量大，耐压水平高，而且大多工作在开关状态，因此其结构与特性又有许多独特之处.对GTR的要求主要是有足够的容量、适当的增益、较高的速度和较低的功耗等。
由于GTR电流大、功耗大,因此其工作状况出现了新特点、新问题。
比如存在基区大注入效应、基区扩展效应和发射极电流集边效应等，使得电流增益下降、特征频率减小，导致局部过热等，为了削弱这种影响,必须在结构上采取适当的措施。
目前常用的GTR器件有单管、达林顿管和模块三大系列。
三重扩散台面型NPN结构是单管GTR的典型结构，其结构和符号如图1所示.这种结构的优点是结面积较大，电流分布均匀，易于提高耐压和耗散热量；缺点是电流增益较低,一般约为10～20g。
图1、功率晶体管结构及符号图2、达林顿GTR结构（a）NPN-NPN型、(b)PNP-NPNxing达林顿结构是提高电流增益的一种有效方式.达林顿GTR由两个或多个晶体管复合而成,可以是PNP或NPN型，如图2所示，其中V1为驱动管,可饱和,而V2为输出管，不会饱和。
达林顿GTR的电流增益β大大提高,但饱和压降VCES也较高且关断速度较慢。
不难推得IC=ΒIB1.VCES= VCES1+VCES2（其中β≈β1β2）目前作为大功率开关应用最多的是GTR模块.它是将单个或多个达林顿结构GTR及其辅助元件如稳定电阻、加速二极管及续流二极管等，做在一起构成模块，如图3所示。
为便于改善器件的开关过程或并联使用，有些模块的中间基极有引线引出。
GTR模块结构紧凑、功能强,因而性能价格比大大提高。
主要电力电子器件特点◆不可控器件——电力二极管PD◆电流驱动型器件(SCR、GTO、GTR)◆电压驱动型器件（POWER MOSFET、IGBT）（）电力二极管（P Di d ）I（一）电力二极管（Power Diode）I F◆二极管的基本原理——PN结的单向导电性功率提高：结构、P-i-NO U TO U FU◆PN 结的电容效应，结电容C J 影响PN 结的工作频率势垒电容C B 和扩散电容C D◆正向电压降U 和反向漏电流I Fd i F F U Ft t t rrt dt ft t td t◆通流能力强---电导调制效应F 012U Rd i R d t ◆存在较大反向电流和反向电压过冲a)U RPI R P ◆正向导通需要正向恢复时间t fr（二）电流驱动型器件特点：都是三个联接端，2个功率端，1个控制端◆晶闸管—半控型器件，开通时刻可控◆门极可关断晶闸管GTO☞晶闸管的一种派生器件，在门极施加负的脉冲电流使其关断小☞电流关断增益βoff◆电力晶体管（Giant Transistor——GTR）☞与普通的双极结型晶体管基本原理样与普通的双极结型晶体管基本原理一样☞最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好（三）电力MOSFET（绝缘栅型MOS）栅极来控制漏极特点◆电压来控制电流，它的特点：☞驱动电路简单，需要的驱动功率小。
☞开关速度快，工作频率高。
☞电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。
◆按导电沟道可分为沟道和沟道P N沟道。
☞当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型。
对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导☞）沟道器件栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。
☞在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。
中主要是☞输出特性截止区（GTR的截止区）饱和区（GTR的放大区）非饱和区（GTR的饱和区）饱和----漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和指漏源电压增加时----漏极电流相应增加。
电路中的开关管有哪些特点和应用电路中的开关管是一种常见的电子元件，它具有许多独特的特点和广泛的应用。
本文将介绍开关管的特点以及在不同领域中的应用。
一、开关管的特点1. 快速开关速度：开关管具有快速的开关速度，能够在纳秒级别实现开关操作。
这使得开关管在高频电路和脉冲电路中得到广泛应用。
2. 低驱动功率：相对于传统的机械开关，开关管的驱动功率较低。
它可以通过微弱的控制电流实现开关操作，从而提高电路效率。
3. 低电压操作：开关管通常能够在低电压下正常工作，这使得它们适用于低电压系统和便携设备。
4. 可控性强：开关管可以通过调节控制电流或控制电压来实现灵活的开关操作。
这种可控性使得开关管在电路设计中具有较好的适应性。
5. 低功耗：相比传统机械开关，开关管的功耗更低，这有助于提高电路的能效。
二、开关管的应用1. 电子开关：开关管在电子开关电路中得到广泛应用。
例如，它们可用于电源开关、电机控制、LED驱动等。
开关管的快速响应速度和低驱动功率使得它们能够迅速响应电子设备的控制信号，实现高效的开关操作。
2. 逆变器：开关管在逆变器中被广泛使用，将直流电转换为交流电。
逆变器通常用于太阳能发电系统、电动车辆和无线电通信等领域，而开关管作为关键元件，能够实现高效的电能转换。
3. 交流调压：开关管在交流调压电路中起着重要作用。
通过控制开关管的导通和截止时间，可以实现对电流大小的调节，从而实现交流电压的调节和稳定输出。
4. 电源管理：开关管被广泛应用于电源管理领域，用于变换和控制电源的工作状态。
例如，开关电源中的开关管能够实现高效的能量转换和电源调节，提高电源的可靠性和效率。
5. 能量存储和开关：开关管在能量存储和开关电路中有重要应用。
例如，开关管可以用于控制电容器的充放电过程，实现能量的存储和释放。
它们还可用于实现电路的开关操作，如触发器、计数器等。
总结：开关管作为一种常见的电子元件，在电路设计中具有许多特点和广泛的应用。
一、功率二极管1.功率二极管结构及工作原理：功率二极管功率二极管(Power Diode) ,也常叫整流二极管，其结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。
功率二极管包括快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。
基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。
由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。
从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。
a)b) c)图1-1 功率二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。
正方向单向导电、反方向阻断。
2.功率二极管的基本特征：1) 静态特性主要指其伏安特性，门坎电压U T，正向电流I F开始明显增加所对应的电压。
与I F对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降U F。
承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。
图1-2 功率二极管的伏安特性 I ＝f （U ）2) 动态特性——二极管的电压-电流特性随时间变化的 ——结电容的存在 延迟时间：t d = t 1- t 0, 电流下降时间：t f = t 2- t 1 反向恢复时间：t rr = t d + t f恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值t f /t d ，或称恢复系数，用S r 表示。
图1-3功率二极管的动态过程波形 a)零偏置转换为正向偏置b)正向偏置转换为反向偏置a)开通过程正向压降先出现一个过冲U FP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。
正向恢复时间t fr。
电流上升率越大，U FP越高。
b)关断过程：须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。
关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。
二、晶闸管1晶闸管的结构和原理1.1外形●外形有螺栓型和平板型两种封装型式；●引出阳极A、阴极K和门极G （控制端）三个联接端；●螺栓型封装，螺栓是其阳极，可与散热器紧密联接且安装方便；●平板型封装的晶闸管由两个散热器将其夹在中间1.2工作原理●正向电压： J2结反向偏置，不导通；●反向电压：J1、J3 结反向偏置，不导通；●在正向电压时注入Ig：经V2 放大产生 I C2 , 形成V1的基流I b1，又经 V1放大形成 I C1注入V2，最终形成正反馈，晶闸管导通；●晶闸管导通后，撤掉Ig，晶闸管仍维持导通；●关断：撤掉维持导通的正向电压或施加反向电压使其阳极电流 I A下降到某一数值以下，晶闸管才能关断。
2晶闸管的基本特性2.1静态特性●承受反向电压：不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通●承受正向电压：仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通●晶闸管导通后：门极就失去控制作用●关断晶闸管：应使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下●晶闸管的伏安特性：图2-1 晶闸管伏安特性2.1.1 正向特性：器件施加正向电压，I G=0 时，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过；正向电压超过临界极限——正向转折电压U bo，则漏电流急剧增大，器件开通；● 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低；● 导通后其特性和二极管的正向特性相仿，压降很小，在1V左右● 导通后，当I G＝0且I A降至接近于零的某一数值I H 以下，晶闸管又回到正向阻断状态。
I H 称为维持电流。
2.1.2反向特性：器件上施加反向电压，其特性类似二极管反向特性；2.1.3门极伏安特性：门极和阴极之间的伏安特性称为门极伏安特性● 门极触发电流是通过在门极和阴极之间施加触发电压而产生的，阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端；● 为保证安全可靠的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区中。
2.2动态特性图2-2 晶闸管的开通和关断过程波形2.2.1开通过程（特性图)● 延迟时间t d：从I G 阶跃起，到 I A 上升到稳态值的10%的时间；● 上升时间tr：I A 从10%上升到稳态值的90%所需的时间；● 开通时间t gt： t gt=t d+ t r（1－6）●普通晶闸管延迟时间为：0.5~1.5μs，上升时间为：0.5~3μs。
2.2.2关断过程（特性图)● 反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间；● 正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要的一段时间；● 关断时间tq：t q=t rr+t gr 约几百微秒（1－7）● 普通晶闸管的在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新导通。
● 实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。
三、 电力场效应晶体管(Power MOSFET) 1. 电力MOSFET 的结构及工作原理电力MOSFET 采取两次扩散工艺，并将漏极D 移到芯片的另一侧表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和提高电流密度。
当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源极之间电压为零或为负时，P 型区和N -型漂移区之间的PN 结反向，漏源极之间无电流流过。
如果在栅极和源极间加正向电压U GS ，由于栅极是绝缘的，不会有电流。
但栅极的正电压所形成的电场的感应作用却会将其下面的P 型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P 型区表面。
当u GS 大于某一电压值U GS(th)时，栅极下面的P 型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P 型反型成N 型，沟通了漏极和源极。
此时，若在漏源极之间加正向电压，则电子将从源极横向穿过沟道，然后垂直(即纵向)流向漏极，形成漏极电流i D 。
电压U GS(th)称为开启电压，u GS 超过U GS(th)越多，导电能力就越强，漏极电流i D 也越大。
2. 电力MOSFET 的特性2.1 转移特性转移特性是指电力MOSFET 的输入栅源电压u GS 与输出漏极电流i D 之间的关系，如图4-15a 所示。
由图可见，当u GS < U GS(th)时，i D 近似为零；当u GS ＞U GS(th)时，随着u GS 的增大，i D 也越大。
当i D 较大时，i D 与u GS 的关系近似为线性，曲线的斜率被定义为跨导g m ，则有Dm GSd d i g ua) b)图2-3 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性2.2输出特性输出特性是指以栅源电压u GS为参变量，漏极电流i D与漏源电压u DS之间关系的曲线，如图2-3所示。
●截止区。
u GS≤U GS(th)，i D=0，这和电力晶体管的截止区相对应。
●饱和区。
u GS＞U GS(th)，u DS≥u GS -U GS(th)，当u GS不变时，i D几乎不随u DS的增加而增加，近似为一常数，故称为饱和区。
这里的饱和区对应电力晶体管的放大区。
当用做线性放大时，MOSFET工作在该区。
●非饱和区。
u GS＞U GS(th)，u DS＜u GS -U GS(th)，漏源电压u DS和漏极电流i D之比近似为常数。
该区对应于电力晶体管的饱和区。
当MOSFET作开关应用而导通时即工作在该区。
2.3开关特性图2-4 电力MOSFET的开关过成 a) 测试MOSFET开关特性的电路 b) 开关特性曲线四、绝缘栅双极晶体管(IGBT)1IGBT结构与原理1.1结构a) b) c)图4-1 1GBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a)内部结构 b)简化等效电路 c)电气图形符号1.2工作原理IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是一种压控型器件。
其开通和关断是由栅极和发射极间的电压u GE决定的，当u GE为正且大于开启电压u GE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导通。
当栅极与发射极之间加反向电压或不加电压时，MOSFET内的沟道消失，晶体管无基极电流，IGBT关断。
PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图4-19c所示。
对应的还有P沟道IGBT，记为P-IGBT。
N-IGBT和P-IGBT统称为IGBT。
由于实际应用中以N沟道IGBT为多。
21GBT的基本特性2.1转移特性与输出特性a) b)图4-2 1GB性T的转移特性和输出特a)转移特性 b)输出特性图4-2a为IGBT的转移特性，它描述的是集电极电流i C与栅射电压u GE之间的关系，与功率MOSFET的转移特性相似。
开启电压u GE(th)是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。
u GE(th)随温度升高而略有下降，温度升高1℃，其值下降5 mV左右。
图4-2b为IGBT的输出特性，也称为伏安特性，它描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流i C与集射极间电压u CE之间的关系。
此特性与GTR的输出特性相似，不同的是参考变量，IGBT为栅射电压u GE，GTR为基极电流i B。
IGBT的输出特性也分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。
这分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。
此外，当u CE＜0时，IGBT为反向阻断工作状态。
在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。
2.2动态特性图4-3 1GBT的开关过程I GBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。
td(on) 为开通延迟时间，tri 为电流上升时间。
实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和，漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。
IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。
当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。
因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。
IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。
因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv 为电压Uds(f)的上升时间。
实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间t(off)=td(off)+trv十t(f)式中：td(off)与trv之和又称为存储时间。
