半導(dǎo)體器件：電力晶體管是什么？特點(diǎn)原理分析-KIA MOS管

電力晶體管

電力晶體管按英文Giant Transistor——GTR，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor—BJT），所以有時(shí)也稱(chēng)為Power BJT；但其驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)功率大；GTR和普通雙極結(jié)型晶體管的工作原理是一樣的。

GTR是一種電流控制的雙極雙結(jié)大功率、高反壓電力電子器件，具有自關(guān)斷能力,產(chǎn)生于上個(gè)世紀(jì)70年代，其額定值已達(dá)1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。

它既具備晶體管飽和壓降低、開(kāi)關(guān)時(shí)間短和安全工作區(qū)寬等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、開(kāi)關(guān)損耗小、開(kāi)關(guān)時(shí)間短，在電源、電機(jī)控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應(yīng)用廣泛。

GTR的缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。在開(kāi)關(guān)電源和UPS內(nèi)，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的符號(hào),和普通的NPN晶體管一樣。

電力晶體管結(jié)構(gòu)

電力晶體管(Giant Transistor)簡(jiǎn)稱(chēng)GTR又稱(chēng)BJT（Bipolar Junction Transistor），GTR和BJT這兩個(gè)名稱(chēng)是等效的，結(jié)構(gòu)和工作原理都和小功率晶體管非常相似。

GTR由三層半導(dǎo)體、兩個(gè)PN結(jié)組成。和小功率三極管一樣，有PNP和NPN兩種類(lèi)型，GTR通常多用NPN結(jié)構(gòu)。

工作原理

在電力電子技術(shù)中，GTR主要工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。GTR通常工作在正偏(Ib>0)時(shí)大電流導(dǎo)通；反偏(Ib<0=時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)。因此，給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，它將工作于導(dǎo)通和截止的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

特點(diǎn)

1.輸出電壓

可以采用脈寬調(diào)制方式，故輸出電壓為幅值等于直流電壓的強(qiáng)脈沖序列。

2.載波頻率

由于電力晶體管的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，故允許的載波頻率較低，大部分變頻器的上限載波頻率約為1.2～1.5kHz左右。

3.電流波形

因?yàn)檩d波頻率較低，故電流的高次諧波成分較大。這些高次諧波電流將在硅鋼片中形成渦流，并使硅鋼片相互間因產(chǎn)生電磁力而振動(dòng)，并產(chǎn)生噪音。又因?yàn)檩d波頻率處于人耳對(duì)聲音較為敏感的區(qū)域，故電動(dòng)機(jī)的電磁噪音較強(qiáng)。

4.輸出轉(zhuǎn)矩

因?yàn)殡娏髦懈叽沃C波的成分較大，故在50Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩與工頻運(yùn)行時(shí)相比，略有減小。

基本特性

(1)靜態(tài)特性

共發(fā)射極接法時(shí)可分為三個(gè)工作區(qū)：

① 截止區(qū)。在截止區(qū)內(nèi)，iB≤0，uBE≤0，uBC<0，集電極只有漏電流流過(guò)。

② 放大區(qū)。iB >0，uBE>0，uBC<0，iC =βiB。

③ 飽和區(qū)。iB >Ics/β，uBE>0，uBC>0，iCS是集電極飽和電流，其值由外電路決定。

結(jié)論：兩個(gè)PN結(jié)都為正向偏置是飽和的特征。飽和時(shí)，集電極、發(fā)射極間的管壓降uCE很小，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)接通，這時(shí)盡管電流很大，但損耗并不大。

GTR剛進(jìn)入飽和時(shí)為臨界飽和，如iB繼續(xù)增加，則為過(guò)飽和，用作開(kāi)關(guān)時(shí)，應(yīng)工作在深度飽和狀態(tài)，這有利于降低uCE和減小導(dǎo)通時(shí)的損耗。

(2)動(dòng)態(tài)特性

GTR共發(fā)射極接法的輸出特性

圖1GTR開(kāi)關(guān)特性

GTR在關(guān)斷時(shí)漏電流很小，導(dǎo)通時(shí)飽和壓降很小。因此，GTR在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)下?lián)p耗都很小，但在關(guān)斷和導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電流和電壓都較大，所以開(kāi)關(guān)過(guò)程中損耗也較大。

當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗是總損耗的主要部分。因此，縮短開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間對(duì)降低損耗、提高效率和提高運(yùn)行可靠性很有意義。

主要參數(shù)

(1)最高工作電壓

(2)集電極最大允許電流ICM

(3)集電極最大允許耗散功率PCM

(4)最高工作結(jié)溫TJM

二次擊穿和安全工作區(qū)

(1)二次擊穿

二次擊穿是影響GTR安全可靠工作的一個(gè)重要因素。當(dāng)GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極電流迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱(chēng)為一次擊穿。

出現(xiàn)一次擊穿后，只要Ic不超過(guò)與最大運(yùn)行耗散功率相對(duì)應(yīng)的限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不會(huì)有什么變化。

但是實(shí)際應(yīng)用中常常發(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時(shí)如不有效地限制電流，Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，同時(shí)伴隨著電壓的突然下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為二次擊穿。

防止二次擊穿的辦法是：①應(yīng)使實(shí)際使用的工作電壓比反向擊穿電壓低得多。②必須有電壓電流緩沖保護(hù)措施。

(2)安全工作區(qū)

圖2 GTR安全工作區(qū)

以直流極限參數(shù)ICM、PCM、UCEM構(gòu)成的工作區(qū)為一次擊穿工作區(qū)，以USB (二次擊穿電壓)與ISB (二次擊穿電流)組成的PSB (二次擊穿功率)是一個(gè)不等功率曲線(xiàn)。

為了防止二次擊穿，要選用足夠大功率的GTR，實(shí)際使用的最高電壓通常比GTR的極限電壓低很多。

圖3 GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形

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