電力雙極型電晶體(GTR)詳解

電力雙極型電晶體(GTR)詳解

發燒友 發表於 2011-01-22 11:57:57

　　電力雙極型電晶體(GTR)是一種耐高壓、能承受大電流的雙極電晶體，也稱為BJT，簡稱為電力電晶體。它與晶閘管不同，具有線性放大特性，但在電力電子應用中卻工作在開關狀態，從而減小功耗。GTR可通過基極控制其開通和關斷，是典型的自關斷器件。

一、電力電晶體的結構和工作原理　

　電力電晶體有與一般雙極型電晶體相似的結構、工作原理和特性。它們都是3層半導體，2個PN結的三端器件，有PNP和NPN這2種類型，但GTR多採用NPN型。GTR的結構、電氣符號和基本工作原理，如圖1所示。

　　

　　在應用中，GTR一般採用共發射極接法，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的電流放大係數，它反映出基極電流對集電極電流的控制能力。單管GTR的電流放大係數很小，通常為10左右。　　在考慮集電極和發射極之間的漏電流時，　　i c=βi b+I c e o (2)

二、GTR的類型　　

目前常用的GTR的單管、達林頓管和模塊這3種類型。1、 單管GTR　　NPN三重擴散臺面型結構是單管GTR的典型結構，這種結構可靠性高，能改善器件的二次擊穿特性，易於提高耐壓能力，並易於散出內部熱量。{{分頁}}2、 達林頓GTR　　達林頓結構的GTR是由2個或多個電晶體複合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性質取決於驅動管，它與普通複合三極體相似。達林頓結構的GTR電流放大倍數很大，可以達到幾十至幾千倍。雖然達林頓結構大大提高了電流放大倍數，但其飽和管壓降卻增加了，增大了導通損耗，同時降低了管子的工作速度。3、 GTR模塊　　目前作為大功率的開關應用還是GTR模塊，它是將GTR管芯及為了改善性能的1個元件組裝成1個單元，然後根據不同的用途將幾個單元電路構成模塊，集成在同一矽片上。這樣，大大提高了器件的集成度、工作的可靠性和性能/價格比，同時也實現了小型輕量化。目前生產的GTR模塊，可將多達6個相互絕緣的單元電路制在同一個模塊內，便於組成三相橋電路。

三、GTR的特性1、 靜態特性

　

 

 

 

 

 

 

 

　靜態特性可分為輸入特性和輸出特性。輸入特性與二極體的伏安特性相似，在此僅介紹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。由圖明顯看出，靜態特性分為3個區域，即人們所熟悉的截止區、放大區及飽和區。當集電結和發射結處於反偏狀態，或集電結處於反偏狀態，發射結處於零偏狀態時，管子工作在截止區;當發射結處於正偏、集電結處於反偏狀態時，管子工作在放大區;當發射和集電結都處於正偏狀態時，管子工作在飽和區。GTR在電力電子電路中，需要工作在開關狀態，因此它是在飽和和截止區之間交替工作。

 

　　2、 動態特性　　GTR是用基極電流控制集電極電流的，器件開關過程的瞬態變化，就反映出其動態特性。GTR的動態特性曲線，如圖3所示。

　　由於管子結電容和儲存電荷的存在，開關過程不是瞬時完成的。GTR開通時需要經過延時時間和上升時間，二者之和為開通時間;關斷時需要經過儲存時間和下降時間，二者之和為關斷時間。{{分頁}}　　實際應用中，在開通GTR時，加大驅動電流i b和其上升率，可減小td和tr ，但電流也不能太大，否則會由於過飽和而增大t s。在關斷GTR時，加反向基極電壓可加速存儲電荷的消散，減少t s ，但反向電壓不能太大，以免使發射結擊穿。　　為了提高GTR的開關速度，可選用結電容比較小的快速開關管，還可用加速電容來改善GTR的開關特性。在GTR的基極電阻兩端並聯一個電容，利用換流瞬間其上電壓不能突變的特性，也可改善管子的開關特性。

四、GTR的主要參數

1、 電壓參數

(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，它不僅因器件不同而不同，而且會因外電路接法不同而不同。擊穿電壓有：① 　　BUCBO為發射極開路時，集電極-基極的擊穿電壓。② BUCBO為基極開路時，集電極-發射極的擊穿電壓。③ BUCES為基極-射極短路時，集電極-發射極的擊穿電壓。④ BUCER為基極-發射極間並聯電阻時，集電極-發射極的擊穿電壓。並聯電阻越小，其值越高。⑤ BUCEX為基極-發射極施加反偏壓時，集電極-發射極的擊穿電壓。　　

各種不同接法時的擊穿電壓的關係如下：　

　BUCBO>BUCEX>BUCES>BUCER>BUCEO　　為了保證器件工作安全，GTR的最高工作電壓UCEM應比最小擊穿電壓BUCEO低。(2)飽和壓降UCES　　處於深飽和區的集電極電壓稱為飽和壓降，在大功率應用中它是一項重要指標，因為它關係到器件導通的功率損耗。單個GTR的飽和壓降一般不超過1~1.5V，它隨集電極電流ICM的增加而增大。

2、 電流參數(1) 集電極連續直流電流額定值IC　　集電極連續直流電流額定值是指只要保證結溫不超過允許的最高結溫，電晶體允許連續通過的直流電流值。(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允許結溫下，不造成器件損壞的最大電流。超過該額定值必將導致電晶體內部結構的燒毀。在實際使用中，可以利用熱容量效應，根據佔空比來增大連續電流，但不能超過峰值額定電流。(3)基極電流最大允許值IBM　　基極電流最大允許值比集電極最大電流額定值要小得多，通常IBM=(1/10~1/2)ICM，而基極發射極間的最大電壓額定值通常只有幾伏。

3、 其他參數(1)最高結溫TJM　　最高結溫是指出正常工作時不損壞器件所允許的最高溫度。它由器件所用的半導體材料、製造工藝、封裝方式及可靠性要求來決定。塑封器件一般為120℃~150℃，金屬封裝為150℃~170℃。為了充分利用器件功率而又不超過允許結溫，GTR使用時必須選配合適的散熱器。(2)最大額定功耗PCM　　最大額定功耗是指GTR在最高允許結溫時，所對應的耗散功率。它受結溫限制，其大小主要由集電結工作電壓和集電極電流的乘積決定。一般是在環境溫度為25℃時測定，如果環境溫度高於25℃，允許的PCM值應當減小。由於這部分功耗全部變成熱量使器件結溫升高，因此散熱條件對GTR的安全可靠十分重要，如果散熱條件不好，器件就會因溫度過高而燒毀;相反，如果散熱條件越好，在給定的範圍內允許的功耗也越高。

4、 二次擊穿與安全工作區(1)二次擊穿現象　　二次擊穿是GTR突然損壞的主要原因之一，成為影響其是否安全可靠使用的一個重要因素。前述的集電極-發射極擊穿電壓值BUCEO是一次擊穿電壓值，一次擊穿時集電極電流急劇增加，如果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，就會導致破壞性的二次擊穿。二次擊穿是指器件發生一次擊穿後，集電極電流急劇增加，在某電壓電流點將產生向低阻抗高速移動的負阻現象。一旦發生二次擊穿就會使器件受到永久性損壞。(2) 安全工作區(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安全可靠地運行，必須使其工作在安全工作區範圍內。安全工作區是由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等參數限制的區域，如圖4的陰影部分所示。　　安全工作區是在一定的溫度下得出的，例如環境溫度25℃或管子殼溫75℃等。使用時，如果超出上述指定的溫度值，則允許功耗和二次擊穿耐能都必須降低額定使用。

五、GTR的驅動和保護電路

1、 GTR驅動電路的設計要求　　GTR基極驅動方式直接影響其工作狀態，可使某些特性參數得到改善或變壞，例如，過驅動加速開通，減少開通損耗，但對關斷不利，增加了關斷損耗。驅動電路有無快速保護功能，則是GTR在過壓、過流後是否損壞的重要條件。GTR的熱容量小，過載能力差，採用快速熔斷器和過電流繼電器是根本無法保護GTR的。因此，不再用切斷主電路的方法，而是採用快速切斷基極控制信號的方法進行保護。這就將保護措施轉化成如何及時準確地測到故障狀態和如何快速可靠地封鎖基極驅動信號這2個方面的問題。

(1) 設計基極驅動電路考慮的因素　　設計基極驅動電路必須考慮的3個方面：優化驅動特性、驅動方式和自動快速保護功能。① 優化驅動特性優化驅動特性就是以理想的基極驅動電流波形去控制器件的開關過程，保證較高的開關速度，減少開關損耗。優化的基極驅動電流波形與GTO門極驅動電流波形相似。② 驅動方式　　驅動方式按不同情況有不同的分類方法。在此處，驅動方式是指驅動電路與主電路之間的連接方式，它有直接和隔離2種驅動方式：直接驅動方式分為簡單驅動、推挽驅動和抗飽驅動等形式;隔離驅動方式分為光電隔離和電磁隔離形式。③ 自動快速保護功能　　在故障情況下，為了實現快速自動切斷基極驅動信號以免GTR遭到損壞，必須採用快速保護措施。保護的類型一般有抗飽和、退抗飽和、過流、過壓、過熱和脈衝限制等。

(2) 基極驅動電路　　GTR的基極驅動電路有恆流驅動電路、抗飽和驅動電路、固定反偏互補驅動電路、比例驅動電路、集成化驅動電路等多種形式。恆流驅動電路是指其使GTR的基極電流保持恆定，不隨集電極電流變化而變化。抗飽和驅動電路也稱為貝克箝位電路，其作用是讓GTR開通時處於準飽和狀態，使其不進入放大區和深飽和區，關斷時，施加一定的負基極電流有利於減小關斷時間和關斷損耗。固定反偏互補驅動電路是由具有正、負雙電源供電的互補輸出電路構成的，當電路輸出為正時，GTR導通;當電路輸出為負時，發射結反偏，基區中的過剩載流子被迅速抽出，管子迅速關斷。比例驅動電路是使GTR的基極電流正比於集電極電流的變化，保證在不同負載情況下，器件的飽和深度基本相同。集成化驅動電路克服了上述電路元件多、電路複雜、穩定性差、使用不方便等缺點。具有代表性的器件是THOMSON公司的UAA4003和三菱公司的M57215BL。　　①GTR的驅動電路種類很多，下面介紹一種分立元件GTR的驅動電路，如圖5所示。電路由電氣隔離和電晶體放大電路兩部分構成。電路中的二極體VD2和電位補償二極體VD3組成貝克箝位抗飽和電路，可使GTR導通時處於臨界飽和狀態。當負載輕時，如果V5的發射極電流全部注入V，會使V過飽和，關斷時退飽和時間延長。有了貝克電路後，當V過飽和使得集電極電位低於基極電位時，VD2就會自動導通，使得多餘的驅動電流流入集電極，維持Ubc≈0。這樣，就使得V導通時始終處於臨界飽和。圖中的C2為加速開通過程的電容，開通時，R5被C2短路。這樣就可以實現驅動電流的過衝，同時增加前沿的陡度，加快開通。另外，在V5導通時C2充電，充電的極性為左正右負，為GTR的關斷做做準備。當V5截止V6導通時，C2上的充電電壓為V管的發射結施加反電壓，從而GTR迅速關斷。

 

　　

　　②GTR集成驅動電路種類很多，下面簡單介紹幾種情況：　　HL202是國產雙列直插、20引腳GTR集成驅動電路，內有微分變壓器實現信號隔離，貝克箝位退飽和、負電源欠壓保護。工作電源電壓+8~+10V和-5.5V~ -7V，最大輸出電流大於2.5A，可以驅動100A以下GTR。　　UAA4003是雙列直插、16引腳GTR集成驅動電路，可以對被驅動的GTR實現最優驅動和完善保護，保證GTR運行於臨界飽和的理想狀態，自身具有PWM脈衝形成單元，特別適用於直流斬波器系統。　　M57215BL是雙列直插、8引腳GTR集成驅動電路，單電源自生負偏壓工作，可以驅動50A，1000V以下的GTR模塊一個單元;外加功率放大可以驅動75~400A以上GTR模塊。

2、 GTR的保護電路　　GTR的保護電路應包括對器件的過電壓保護、過電流保護、過熱保護、安全區外運行狀態保護以及過大的di/dt和du/dt的保護。為防止GTR的損壞，這些保護必須快速動作，而且這些保護都是在準確檢測的基礎上完成。過壓、過熱保護相對簡單，可以利用壓敏電阻、熱敏電阻來實現保護。而對du/dt和di/dt限制保護，可通過緩衝電路來實現;過電流保護可根據基極或集電極電壓特性來實現。下面介紹這2種保護電路的監測及工作原理。　　過電流的出現是由於GTR處於過載或短路故障而引起的，此時隨著集電極電流的急劇增加，其基極電壓UBE和集電極電壓UCE均發生相應變化。在基極電流和結溫一定時，UBE隨IC正比變化，監測UBE再與給定的基準值進行比較，就可發出切除驅動基極信號的命令，實現過載和過流保護。與此類似，利用UCE也可達到過流保護的目的。但UCE的變化比UBE緩慢，且受溫度影響較大。　　由於UBE隨IC的變化比UCE的變化快，因此監測UBE適於短路過流保護，而監測UCE適用過載保護。過流保護的基極電壓特性和電壓監測電路，如圖6所示。

 

　　

　　由圖6(a)明顯看出，GTR的電壓UBE隨著IC正比變化。圖6(b)電路隨時監測UBE的變化，同時與基準電壓值UR進行比較。在正常情況下，UBE< SPAN>R，比較器輸出低電平保證驅動管V和GTR導通。當主電路發生短路時，UBE線性上升，一旦UBE>UR，比較器立即輸出高電平使驅動管截止，迅速關斷已經短路過流的GTR，實現過流保護。　　過載保護的集電極電壓特性和電壓監測電路，如圖7所示。由圖7(a)可見，GTR工作在飽和區和準飽和區時，UCE一般在0.8~2V之間。當負載過流或由於基極驅動電流不足時，均引起GTR退出飽和區進入線性放大區，致使UCE迅速增大，功耗猛增使器件燒毀。圖7(b)電路隨時監測UCE的變化，當UCE>UR時，保護電路動作使GTR關斷。電路中電容C起加速強制開通作用。

 

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