電力雙極型晶體管

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

一、電力晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理

　　電力晶體管有與一般雙極型晶體管相似的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性。它們都是3層半導(dǎo)體，2個PN結(jié)的三端器件，有PNP和NPN這2種類型，但GTR多采用NPN型。GTR的結(jié)構(gòu)、電氣符號和基本工作原理，如圖1所示。

　　在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(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的電流放大系數(shù)，它反映出基極電流對集電極電流的控制能力。單管GTR的電流放大系數(shù)很小，通常為10左右。

　　在考慮集電極和發(fā)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(jié)構(gòu)是單管GTR的典型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可靠性高，能改善器件的二次擊穿特性，易于提高耐壓能力，并易于散出內(nèi)部熱量。{{分頁}}

2、  達林頓GTR

　　達林頓結(jié)構(gòu)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。達林頓結(jié)構(gòu)的GTR電流放大倍數(shù)很大，可以達到幾十至幾千倍。雖然達林頓結(jié)構(gòu)大大提高了電流放大倍數(shù)，但其飽和管壓降卻增加了，增大了導(dǎo)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(guān)應(yīng)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，然后根據(jù)不同的用途將幾個單元電路構(gòu)成模塊，集成在同一硅片上。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(xiàn)了小型輕量化。目前生產(chǎn)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(nèi)，便于組成三相橋電路。

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(tài)特性分為3個區(qū)域，即人們所熟悉的截止區(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，管子工作在截止區(qū)；當發(fā)射結(jié)處于正偏、集電結(jié)處于反偏狀態(tài)時，管子工作在放大區(qū)；當發(fā)射和集電結(jié)都處于正偏狀態(tài)時，管子工作在飽和區(qū)。GTR在電力電子電路中，需要工作在開關(guān)狀態(tài)，因此它是在飽和和截止區(qū)之間交替工作。

2、  動態(tài)特性

　　GTR是用基極電流控制集電極電流的，器件開關(guān)過程的瞬態(tài)變化，就反映出其動態(tài)特性。GTR的動態(tài)特性曲線，如圖3所示。

　　由于管子結(jié)電容和儲存電荷的存在，開關(guān)過程不是瞬時完成的。GTR開通時需要經(jīng)過延時時間和上升時間，二者之和為開通時間；關(guān)斷時需要經(jīng)過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，在開通GTR時，加大驅(qū)動電流i _b和其上升率，可減小t_d和t_r ，但電流也不能太大，否則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(fā)射結(jié)擊穿。

　　為了提高GTR的開關(guān)速度，可選用結(jié)電容比較小的快速開關(guān)管，還可用加速電容來改善GTR的開關(guān)特性。在GTR的基極電阻兩端并聯(lián)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(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 　　BU_CBO為發(fā)射極開路時，集電極-基極的擊穿電壓。

②     BU_CBO為基極開路時，集電極-發(fā)射極的擊穿電壓。

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

④     BU_CER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     BU_CEX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。

　　各種不同接法時的擊穿電壓的關(guān)系如下：

　　BU_CBO>BU_CEX>BU_CES>BU_CER>BU_CEO

　　為了保證器件工作安全，GTR的最高工作電壓U_CEM應(yīng)比最小擊穿電壓BU_CEO低。

（2）飽和壓降U_CES

　　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，因為它關(guān)系到器件導(dǎo)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I_CM的增加而增大。

2、  電流參數(shù)

（1） 集電極連續(xù)直流電流額定值I_C

　　集電極連續(xù)直流電流額定值是指只要保證結(jié)溫不超過允許的最高結(jié)溫，晶體管允許連續(xù)通過的直流電流值。

（2）集電極最大電流額定值I_CM

　　集電極最大電流額定值是指在最高允許結(jié)溫下，不造成器件損壞的最大電流。超過該額定值必將導(dǎo)致晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的燒毀。在實際使用中，可以利用熱容量效應(yīng)，根據(jù)占空比來增大連續(xù)電流，但不能超過峰值額定電流。

（3）基極電流最大允許值I_BM

　　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I_BM=(1/10~1/2)I_CM，而基極發(fā)射極間的最大電壓額定值通常只有幾伏。{{分頁}}

3、  其他參數(shù)

（1）最高結(jié)溫T_JM

　　最高結(jié)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(dǎo)體材料、制造工藝、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(jié)溫，GTR使用時必須選配合適的散熱器。

（2）最大額定功耗P_CM

　　最大額定功耗是指GTR在最高允許結(jié)溫時，所對應(yīng)的耗散功率。它受結(jié)溫限制，其大小主要由集電結(jié)工作電壓和集電極電流的乘積決定。一般是在環(huán)境溫度為25℃時測定，如果環(huán)境溫度高于25℃，允許的P_CM值應(yīng)當減小。由于這部分功耗全部變成熱量使器件結(jié)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，在給定的范圍內(nèi)允許的功耗也越高。

4、  二次擊穿與安全工作區(qū)

（1）二次擊穿現(xiàn)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(fā)射極擊穿電壓值BU_CEO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(dǎo)致破壞性的二次擊穿。二次擊穿是指器件發(fā)生一次擊穿后，集電極電流急劇增加，在某電壓電流點將產(chǎn)生向低阻抗高速移動的負阻現(xiàn)象。一旦發(fā)生二次擊穿就會使器件受到永久性損壞。

（2） 安全工作區(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安全可靠地運行，必須使其工作在安全工作區(qū)范圍內(nèi)。安全工作區(qū)是由GTR的二次擊穿功率P_SB、集射極最高電壓U_CEM、集電極最大電流I_CM和集電極最大耗散功率P_CM等參數(shù)限制的區(qū)域，如圖4的陰影部分所示。

　　安全工作區(qū)是在一定的溫度下得出的，例如環(huán)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(qū)動和保護電路

1、  GTR驅(qū)動電路的設(shè)計要求

　　GTR基極驅(qū)動方式直接影響其工作狀態(tài)，可使某些特性參數(shù)得到改善或變壞，例如，過驅(qū)動加速開通，減少開通損耗，但對關(guān)斷不利，增加了關(guān)斷損耗。驅(qū)動電路有無快速保護功能，則是GTR在過壓、過流后是否損壞的重要條件。GTR的熱容量小，過載能力差，采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，而是采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(zhuǎn)化成如何及時準確地測到故障狀態(tài)和如何快速可靠地封鎖基極驅(qū)動信號這2個方面的問題。

（1） 設(shè)計基極驅(qū)動電路考慮的因素

　　設(shè)計基極驅(qū)動電路必須考慮的3個方面：優(yōu)化驅(qū)動特性、驅(qū)動方式和自動快速保護功能。

①     優(yōu)化驅(qū)動特性

優(yōu)化驅(qū)動特性就是以理想的基極驅(qū)動電流波形去控制器件的開關(guān)過程，保證較高的開關(guān)速度，減少開關(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)動方式

　　驅(qū)動方式按不同情況有不同的分類方法。在此處，驅(qū)動方式是指驅(qū)動電路與主電路之間的連接方式，它有直接和隔離2種驅(qū)動方式：直接驅(qū)動方式分為簡單驅(qū)動、推挽驅(qū)動和抗飽驅(qū)動等形式；隔離驅(qū)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(xiàn)快速自動切斷基極驅(qū)動信號以免GTR遭到損壞，必須采用快速保護措施。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、固定反偏互補驅(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，不隨集電極電流變化而變化?？癸柡万?qū)動電路也稱為貝克箝位電路，其作用是讓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，施加一定的負基極電流有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。固定反偏互補驅(qū)動電路是由具有正、負雙電源供電的互補輸出電路構(gòu)成的，當電路輸出為正時，GTR導(dǎo)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(qū)動電路克服了上述電路元件多、電路復(fù)雜、穩(wěn)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。

　?、貵TR的驅(qū)動電路種類很多，下面介紹一種分立元件GTR的驅(qū)動電路，如圖5所示。電路由電氣隔離和晶體管放大電路兩部分構(gòu)成。電路中的二極管VD₂和電位補償二極管VD₃組成貝克箝位抗飽和電路，可使GTR導(dǎo)通時處于臨界飽和狀態(tài)。當負載輕時，如果V₅的發(fā)射極電流全部注入V，會使V過飽和，關(guān)斷時退飽和時間延長。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(dǎo)通，使得多余的驅(qū)動電流流入集電極，維持U_bc≈0。這樣，就使得V導(dǎo)通時始終處于臨界飽和。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(xiàn)驅(qū)動電流的過沖，同時增加前沿的陡度，加快開通。另外，在V₅導(dǎo)通時C₂充電，充電的極性為左正右負，為GTR的關(guān)斷做做準備。當V₅截止V₆導(dǎo)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。
      

　?、贕TR集成驅(qū)動電路種類很多，下面簡單介紹幾種情況：

　　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)動和完善保護，保證GTR運行于臨界飽和的理想狀態(tài)，自身具有PWM脈沖形成單元，特別適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，單電源自生負偏壓工作，可以驅(qū)動50A，1000V以下的GTR模塊一個單元；外加功率放大可以驅(qū)動75~400A以上GTR模塊。{{分頁}}

2、  GTR的保護電路

　　GTR的保護電路應(yīng)包括對器件的過電壓保護、過電流保護、過熱保護、安全區(qū)外運行狀態(tài)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(chǔ)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(xiàn)保護。而對du/dt和di/dt限制保護，可通過緩沖電路來實現(xiàn)；過電流保護可根據(jù)基極或集電極電壓特性來實現(xiàn)。下面介紹這2種保護電路的監(jiān)測及工作原理。

　　過電流的出現(xiàn)是由于GTR處于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U_BE和集電極電壓U_CE均發(fā)生相應(yīng)變化。在基極電流和結(jié)溫一定時，U_BE隨I_C正比變化，監(jiān)測U_BE再與給定的基準值進行比較，就可發(fā)出切除驅(qū)動基極信號的命令，實現(xiàn)過載和過流保護。與此類似，利用U_CE也可達到過流保護的目的。但U_CE的變化比U_BE緩慢，且受溫度影響較大。

　　由于U_BE隨I_C的變化比U_CE的變化快，因此監(jiān)測U_BE適于短路過流保護，而監(jiān)測U_CE適用過載保護。過流保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)明顯看出，GTR的電壓U_BE隨著I_C正比變化。圖6（b）電路隨時監(jiān)測U_BE的變化，同時與基準電壓值U_R進行比較。在正常情況下，U_BE< SPAN>_R，比較器輸出低電平保證驅(qū)動管V和GTR導(dǎo)通。當主電路發(fā)生短路時，U_BE線性上升，一旦U_BE>U_R，比較器立即輸出高電平使驅(qū)動管截止，迅速關(guān)斷已經(jīng)短路過流的GTR，實現(xiàn)過流保護。

　　過載保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工作在飽和區(qū)和準飽和區(qū)時，U_CE一般在0.8~2V之間。當負載過流或由于基極驅(qū)動電流不足時，均引起GTR退出飽和區(qū)進入線性放大區(qū)，致使U_CE迅速增大，功耗猛增使器件燒毀。圖7(b)電路隨時監(jiān)測U_CE的變化，當U_CE>U_R時，保護電路動作使GTR關(guān)斷。電路中電容C起加速強制開通作用。