電力雙極型晶體管(GTR)是一種耐高壓、能遭受大電流的雙極晶體管，也稱為BJT，簡稱為電力晶體管。它與晶閘管差異，具有線性放大特性，但在電力電子應(yīng)用中卻事情在開關(guān)狀態(tài)，從而減小功耗。GTR可通過基極節(jié)制其開通和關(guān)斷，是典范的自關(guān)斷器件。

一、電力晶體管的布局和事情道理

　　電力晶體管有與一般雙極型晶體管相似的布局、事情道理和特性。它們都是3層半導體，2個PN結(jié)的三端器件，有PNP和NPN這2種范例，但GTR多回收NPN型。GTR的布局、電氣標記和根基事情道理，如圖1所示。

　　在應(yīng)用中，GTR一般回收共發(fā)射極接法，如圖1(c)所示。集電極電流i c與基極電流i b的比值為

　　β=i c/i b   （1）

　　式中，β稱為GTR的電放逐大系數(shù)，它反應(yīng)出基極電流對集電極電流的節(jié)制本領(lǐng)。單管GTR的電放逐大系數(shù)很小，凡是為10閣下。

　　在思量集電極和發(fā)射極之間的泄電流時，

　　i c=βi b+I c e o     (2)

二、GTR的范例

　　今朝常用的GTR的單管、達林頓管和模塊這3種范例。

1、 單管GTR

　　NPN三重擴散臺面型布局是單管GTR的典范布局，這種布局靠得住性高，能改進器件的二次擊穿特性，易于提高耐壓本領(lǐng)，并易于散出內(nèi)部熱量。{{分頁}}

2、  達林頓GTR

　　達林頓布局的GTR是由2個或多個晶體管復(fù)合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性質(zhì)取決于驅(qū)動管，它與普通復(fù)合三極管相似。達林頓布局的GTR電放逐大倍數(shù)很大，可以到達幾十至幾千倍。固然達林頓布局大大提高了電放逐大倍數(shù)，但其飽和管壓降卻增加了，增大了導通損耗，同時低落了管子的事情速度。

3、  GTR模塊

　　今朝作為大功率的開關(guān)應(yīng)用照舊GTR模塊，它是將GTR管芯及為了改進機能的1個元件組裝成1個單位，然后按照差異的用途將幾個單位電路組成模塊，集成在同一硅片上。這樣，大大提高了器件的集成度、事情的靠得住性和機能/價值比，同時也實現(xiàn)了小型輕量化。今朝出產(chǎn)的GTR模塊，可將多達6個彼此絕緣的單位電路制在同一個模塊內(nèi)，便于構(gòu)成三相橋電路。

三、GTR的特性

1、  靜態(tài)特性

　　靜態(tài)特性可分為輸入特性和輸出特性。輸入特性與二極管的伏安特性相似，在此僅先容其共射極電路的輸出特性。GTR共射極電路的輸出特性曲線，如圖2所示。由圖明明看出，靜態(tài)特性分為3個區(qū)域，即人們所熟悉的截至區(qū)、放大區(qū)及飽和區(qū)。當集電結(jié)和發(fā)射結(jié)處于反偏狀態(tài)，或集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，發(fā)射結(jié)處于零偏狀態(tài)時，管子事情在截至區(qū)；當發(fā)射結(jié)處于正偏、集電結(jié)處于反偏狀態(tài)時，管子事情在放大區(qū)；當發(fā)射和集電結(jié)都處于正偏狀態(tài)時，管子事情在飽和區(qū)。GTR在電力電子電路中，需要事情在開關(guān)狀態(tài)，因此它是在飽和和截至區(qū)之間瓜代事情。

2、  動態(tài)特性

　　GTR是用基極電流節(jié)制集電極電流的，器件開關(guān)進程的瞬態(tài)變革，就反應(yīng)出其動態(tài)特性。GTR的動態(tài)特性曲線， 耐高溫，如圖3所示。

　　由于管子結(jié)電容和儲存電荷的存在，開關(guān)進程不是瞬時完成的。GTR開通時需要顛末延時時間和上升時間，二者之和為開通時間；關(guān)斷時需要顛末儲存時間和下降時間，二者之和為關(guān)斷時間。{{分頁}}

　　實際應(yīng)用中， 330UF 10V，在開通GTR時，加大驅(qū)動電流i b和其上升率，可減小td和tr，但電流也不能太大，不然會由于過飽和而增大t s。在關(guān)斷GTR時，加反向基極電壓可加快存儲電荷的消散，淘汰t s ，但反向電壓不能太大，以免使發(fā)射結(jié)擊穿。

　　為了提高GTR的開關(guān)速度，可選用結(jié)電容較量小的快速開關(guān)管，還可用加快電容來改進GTR的開關(guān)特性。在GTR的基極電阻兩頭并聯(lián)一個電容，操作換流瞬間其上電壓不能突變的特性，也可改進管子的開關(guān)特性。

四、GTR的主要參數(shù)

1、  電壓參數(shù)

（1） 最高電壓額定值

　　最高集電極電壓額定值是指集電極的擊穿電壓值，它不只因器件差異而差異，并且會因外電路接法差異而差異。擊穿電壓有：

① 　　BUCBO為發(fā)射極開路時，集電極-基極的擊穿電壓。

②     BUCBO為基極開路時，集電極-發(fā)射極的擊穿電壓。

③     BUCES為基極-射極短路時，集電極-發(fā)射極的擊穿電壓。

④     BUCER為基極-發(fā)射極間并聯(lián)電阻時，集電極-發(fā)射極的擊穿電壓。并聯(lián)電阻越小，其值越高。

⑤     BUCEX為基極-發(fā)射極施加反偏壓時，集電極-發(fā)射極的擊穿電壓。

　　各類差異接法時的擊穿電壓的干系如下：

　　BUCBO>BUCEX>BUCES>BUCER>BUCEO

　　為了擔保器件事情安詳，GTR的最高事情電壓UCEM應(yīng)比最小擊穿電壓BUCEO低。

（2）飽和壓降UCES

　　處于深飽和區(qū)的集電極電壓稱為飽和壓降，在大功率應(yīng)用中它是一項重要指標，因為它干系到器件導通的功率損耗。單個GTR的飽和壓降一般不高出1~1.5V，它隨集電極電流ICM的增加而增大。

2、  電流參數(shù)

（1） 集電極持續(xù)直流電流額定值IC

　　集電極持續(xù)直流電流額定值是指只要擔保結(jié)溫不高出答允的最高結(jié)溫，晶體管答允持續(xù)通過的直流電流值。

（2）集電極最大電流額定值ICM

　　集電極最大電流額定值是指在最高答允結(jié)溫下，不造成器件損壞的最大電流。高出該額定值必將導致晶體管內(nèi)部布局的燒毀。在實際利用中，可以操作熱容量效應(yīng)，按照占空比來增大持續(xù)電流，但不能高出峰值額定電流。

（3）基極電流最大答允值IBM

　　基極電流最大答允值比集電極最大電流額定值要小得多，凡是IBM=(1/10~1/2)ICM，而基極發(fā)射極間的最大電壓額定值凡是只有幾伏。{{分頁}}

3、  其他參數(shù)

（1）最高結(jié)溫TJM

　　最高結(jié)溫是指出正常事情時不損壞器件所答允的最高溫度。它由器件所用的半導體質(zhì)料、制造工藝、封裝方法及靠得住性要求來抉擇。塑封器件一般為120℃~150℃，金屬封裝為150℃~170℃。為了充實操作器件功率而又不高出答允結(jié)溫，GTR利用時必需選共同適的散熱器。

（2）最大額定功耗PCM

　　最大額定功耗是指GTR在最高答允結(jié)溫時，所對應(yīng)的耗散功率。它受結(jié)溫限制，其巨細主要由集電結(jié)事情電壓和集電極電流的乘積抉擇。一般是在情況溫度為25℃時測定，假如情況溫度高于25℃，答允的PCM值該當減小。由于這部門功耗全部釀成熱量使器件結(jié)溫升高，因此散熱條件對GTR的安詳靠得住十分重要，假如散熱條件欠好，器件就會因溫渡過高而燒毀；相反，假如散熱條件越好，在給定的范疇內(nèi)答允的功耗也越高。

4、  二次擊穿與安詳事情區(qū)

（1）二次擊穿現(xiàn)象

　　二次擊穿是GTR溘然損壞的主要原因之一，成為影響其是否安詳靠得住利用的一個重要因素。前述的集電極-發(fā)射極擊穿電壓值BUCEO是一次擊穿電壓值，一次擊穿時集電極電流急劇增加，假如有外加電阻限制電流的增長時，則一般不會引起GTR特性變壞。但不加以限制，就會導致粉碎性的二次擊穿。二次擊穿是指器件產(chǎn)生一次擊穿后，集電極電流急劇增加，在某電壓電流點將發(fā)生向低阻抗高速移動的負阻現(xiàn)象。一旦產(chǎn)生二次擊穿就會使器件受到永久性損壞。

（2） 安詳事情區(qū)（SOA）

GTR在運行中受電壓、電流、功率損耗和二次擊穿等額定值的限制。為了使GTR安詳靠得住地運行，必需使其事情在安詳事情區(qū)范疇內(nèi)。安詳事情區(qū)是由GTR的二次擊穿功率PSB、集射極最高電壓UCEM、集電極最大電流ICM和集電極最大耗散功率PCM等參數(shù)限制的區(qū)域，如圖4的陰影部門所示。

　　安詳事情區(qū)是在必然的溫度下得出的，譬喻情況溫度25℃或管子殼溫75℃等。利用時，假如超出上述指定的溫度值，則答允功耗和二次擊穿耐能都必需低落額定利用。

五、GTR的驅(qū)動和掩護電路

1、  GTR驅(qū)動電路的設(shè)計要求

　　GTR基極驅(qū)動方法直接影響其事情狀態(tài)，可使某些特性參數(shù)獲得改進或變壞，譬喻，過驅(qū)動加快開通，淘汰開通損耗，但對關(guān)斷倒霉，增加了關(guān)斷損耗。驅(qū)動電路有無快速掩護成果，則是GTR在過壓、過流后是否損壞的重要條件。GTR的熱容量小，過載本領(lǐng)差，回收快速熔斷器和過電流繼電器是基礎(chǔ)無法掩護GTR的。因此，不再用割斷主電路的要領(lǐng)，而是回收快速割斷基極節(jié)制信號的要領(lǐng)舉辦掩護。這就將掩護法子轉(zhuǎn)化成如何實時精確地測到妨礙狀態(tài)和如何快速靠得住地封閉基極驅(qū)動信號這2個方面的問題。

（1） 設(shè)計基極驅(qū)動電路思量的因素

　　設(shè)計基極驅(qū)動電路必需思量的3個方面：優(yōu)化驅(qū)動特性、驅(qū)動方法和自動快速掩護成果。

①     優(yōu)化驅(qū)動特性

優(yōu)化驅(qū)動特性就是以抱負的基極驅(qū)動電流波形去節(jié)制器件的開關(guān)進程，擔保較高的開關(guān)速度，淘汰開關(guān)損耗。優(yōu)化的基極驅(qū)動電流波形與GTO門極驅(qū)動電流波形相似。{{分頁}}

②     驅(qū)動方法

　　驅(qū)動方法按差異環(huán)境有差異的分類要領(lǐng)。在此處，驅(qū)動方法是指驅(qū)動電路與主電路之間的毗連方法，它有直接和斷絕2種驅(qū)動方法：直接驅(qū)動方法分為簡樸驅(qū)動、推挽驅(qū)動和抗飽驅(qū)動等形式；斷絕驅(qū)動方法分為光電斷絕和電磁斷絕形式。

③     自動快速掩護成果

　　在妨礙環(huán)境下，為了實現(xiàn)快速自動割斷基極驅(qū)動信號以免GTR遭到損壞，必需回收快速掩護法子。掩護的范例一般有抗飽和、退抗飽和、過流、過壓、過熱和脈沖限制等。

（2） 基極驅(qū)動電路

　　GTR的基極驅(qū)動電路有恒流驅(qū)動電路、抗飽和驅(qū)動電路、牢靠反偏互補驅(qū)動電路、比例驅(qū)動電路、集成化驅(qū)動電路等多種形式。恒流驅(qū)動電路是指其使GTR的基極電流保持恒定，不隨集電極電流變革而變革。抗飽和驅(qū)動電路也稱為貝克箝位電路，其浸染是讓GTR開通時處于準飽和狀態(tài)，使其不進入放大區(qū)和深飽和區(qū)，關(guān)斷時，施加必然的負基極電流有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。牢靠反偏互補驅(qū)動電路是由具有正、負雙電源供電的互補輸出電路組成的，當電路輸出為正時，GTR導通；當電路輸出為負時，發(fā)射結(jié)反偏，基區(qū)中的過剩載流子被迅速抽出，管子迅速關(guān)斷。比例驅(qū)動電路是使GTR的基極電流正比于集電極電流的變革，擔保在差異負載環(huán)境下，器件的飽和深度基內(nèi)情同。集成化驅(qū)動電路降服了上述電路元件多、電路巨大、不變性差、利用不利便等缺點。具有代表性的器件是THOMSON公司的UAA4003和三菱公司的M57215BL。

　　①GTR的驅(qū)動電路種類許多，下面先容一種分立元件GTR的驅(qū)動電路，如圖5所示。電路由電氣斷絕和晶體管放大電路兩部門組成。電路中的二極管VD2和電位賠償二極管VD3構(gòu)成貝克箝位抗飽和電路，可使GTR導通時處于臨界飽和狀態(tài)。當負載輕時，假如V5的發(fā)射極電流全部注入V，會使V過飽和，關(guān)斷時退飽和時間耽誤。有了貝克電路后，當V過飽和使得集電極電位低于基極電位時，VD2就會自動導通，使得多余的驅(qū)動電流流入集電極，維持Ubc≈0。這樣，就使得V導通時始終處于臨界飽和。圖中的C2為加快開通進程的電容，開通時，R5被C2短路。這樣就可以實現(xiàn)驅(qū)動電流的過沖，同時增加前沿的陡度，加速開通。別的，在V5導通時C2充電，充電的極性為左正右負，為GTR的關(guān)斷做做籌備。當V5截至V6導通時，C2上的充電電壓為V管的發(fā)射結(jié)施加反電壓，從而GTR迅速關(guān)斷。
      

　　②GTR集成驅(qū)動電路種類許多，下面簡樸先容幾種環(huán)境：

　　HL202是國產(chǎn)雙列直插、20引腳GTR集成驅(qū)動電路，內(nèi)有微分變壓器實現(xiàn)信號斷絕，貝克箝位退飽和、負電源欠壓掩護。事情電源電壓+8~+10V和-5.5V~ -7V，最大輸出電流大于2.5A，可以驅(qū)動100A以下GTR。

　　UAA4003是雙列直插、16引腳GTR集成驅(qū)動電路，可以對被驅(qū)動的GTR實現(xiàn)最優(yōu)驅(qū)動和完善掩護，擔保GTR運行于臨界飽和的抱負狀態(tài)，自身具有PWM脈沖形成單位，出格合用于直流斬波器系統(tǒng)。

　　M57215BL是雙列直插、8引腳GTR集成驅(qū)動電路，單電源自生負偏壓事情，可以驅(qū)動50A，1000V以下的GTR模塊一個單位；外加功率放大可以驅(qū)動75~400A以上GTR模塊。{{分頁}}

2、  GTR的掩護電路

　　GTR的掩護電路應(yīng)包羅對器件的過電壓掩護、過電流掩護、過熱掩護、安詳區(qū)外運行狀態(tài)掩護以及過大的di/dt和du/dt的掩護。為防備GTR的損壞，這些掩護必需快速行動，并且這些掩護都是在精確檢測的基本上完成。過壓、過熱掩護相對簡樸，可以操作壓敏電阻、熱敏電阻來實現(xiàn)掩護。而對du/dt和di/dt限制掩護，可通過緩沖電路來實現(xiàn)；過電流掩護可按照基極或集電極電壓特性來實現(xiàn)。下面先容這2種掩護電路的監(jiān)測及事情道理。

　　過電流的呈現(xiàn)是由于GTR處于過載或短路妨礙而引起的，此時跟著集電極電流的急劇增加，其基極電壓UBE和集電極電壓UCE均產(chǎn)生相應(yīng)變革。在基極電流和結(jié)溫一按時，UBE隨IC正比變革，監(jiān)測UBE再與給定的基準值舉辦較量，就可發(fā)出切除驅(qū)動基極信號的呼吁，實現(xiàn)過載和過流掩護。與此雷同，操作UCE也可到達過流掩護的目標。但UCE的變革比UBE遲鈍，且受溫度影響較大。

　　由于UBE隨IC的變革比UCE的變革快，因此監(jiān)測UBE適于短途經(jīng)流掩護，而監(jiān)測UCE合用過載掩護。過流掩護的基極電壓特性和電壓監(jiān)測電路，如圖6所示。
     

　　由圖6(a)明明看出，GTR的電壓UBE跟著IC正比變革。圖6（b）電路隨時監(jiān)測UBE的變革，同時與基準電壓值UR舉辦較量。在正常環(huán)境下，UBE< SPAN>R，較量器輸出低電平擔保驅(qū)動管V和GTR導通。當主電路產(chǎn)生短路時，UBE線性上升，一旦UBE>UR，較量器當即輸出高電平使驅(qū)動管截至，迅速關(guān)斷已經(jīng)短途經(jīng)流的GTR，實現(xiàn)過流掩護。

　　過載掩護的集電極電壓特性和電壓監(jiān)測電路，如圖7所示。由圖7(a)可見，GTR事情在飽和區(qū)和準飽和區(qū)時，UCE一般在0.8~2V之間。當負載過流或由于基極驅(qū)動電流不敷時，均引起GTR退出飽和區(qū)進入線性放大區(qū)，致使UCE迅速增大，功耗猛增使器件燒毀。圖7(b)電路隨時監(jiān)測UCE的變革，當UCE>UR時，掩護電路行動使GTR關(guān)斷。電路中電容C起加快強制開通浸染。

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