電力晶體管基礎知識圖解

電力晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管，所以有時也稱為Power BJT；但其驅動電路復雜，驅動功率大；GTR和普通雙極結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大功率、高反壓電力電子器件，具有自關斷能力，產生于上個世紀70年代，其額定值已達1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具備晶體管飽和壓降低、開關時間短和安全工作區寬等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、開關損耗小、開關時間短，在電源、電機控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應用廣泛。GTR的缺點是驅動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。在開關電源和UPS內，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的符號如圖1,和普通的NPN晶體管一樣。

電力晶體管的結構

電力晶體管（Giant Transistor）簡稱GTR又稱BJT（Bipolar Junction Transistor），GTR和BJT這兩個名稱是等效的，結構和工作原理都和小功率晶體管非常相似。GTR由三層半導體、兩個PN結組成。和小功率三極管一樣，有PNP和NPN兩種類型，GTR通常多用NPN結構。

電力晶體管工作原理

在電力電子技術中，GTR主要工作在開關狀態。GTR通常工作在正偏（Ib>0）時大電流導通；反偏（Ib<0=時處于截止狀態。因此，給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅動信號，它將工作于導通和截止的開關狀態。

電力晶體管特點

l 輸出電壓

可以采用脈寬調制方式，故輸出電壓為幅值等于直流電壓的強脈沖序列。

2 載波頻率

由于電力晶體管的開通和關斷時間較長，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

因為載波頻率較低，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生電磁力而振動，并產生噪音。又因為載波頻率處于人耳對聲音較為敏感的區域，故電動機的電磁噪音較強。

4 輸出轉矩

因為電流中高次諧波的成分較大，故在50Hz時，電動機軸上的輸出轉矩與工頻運行時相比，略有減小。

電力晶體管的基本特性

（1）靜態特性

共發射極接法時可分為三個工作區：

① 截止區。在截止區內，iB≤0，uBE≤0，uBC<0，集電極只有漏電流流過。

② 放大區。iB >0，uBE>0，uBC<0，iC =βiB。

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

結論：兩個PN結都為正向偏置是飽和的特征。飽和時，集電極、發射極間的管壓降uCE很小，相當于開關接通，這時盡管電流很大，但損耗并不大。GTR剛進入飽和時為臨界飽和，如iB繼續增加，則為過飽和，用作開關時，應工作在深度飽和狀態，這有利于降低uCE和減小導通時的損耗。

（2）動態特性

圖4-9 GTR開關特性

GTR在關斷時漏電流很小，導通時飽和壓降很小。因此，GTR在導通和關斷狀態下損耗都很小，但在關斷和導通的轉換過程中，電流和電壓都較大，所以開關過程中損耗也較大。當開關頻率較高時，開關損耗是總損耗的主要部分。因此，縮短開通和關斷時間對降低損耗、提高效率和提高運行可靠性很有意義。

電力晶體管的主要參數

（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）最高工作結溫TJM

二次擊穿和安全工作區

（1）二次擊穿

二次擊穿是影響GTR安全可靠工作的一個重要因素。當GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，這種首先出現的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。出現一次擊穿后，只要Ic不超過與最大運行耗散功率相對應的限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不會有什么變化。但是實際應用中常常發現一次擊穿發生時如不有效地限制電流，Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的突然下降，這種現象稱為二次擊穿。防止二次擊穿的辦法是：①應使實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措施。

（2）安全工作區

以直流極限參數ICM、PCM、UCEM構成的工作區為一次擊穿工作區，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）是一個不等功率曲線。為了防止二次擊穿，要選用足夠大功率的GTR，實際使用的最高電壓通常比GTR的極限電壓低很多。

圖4-10 GTR安全工作區

圖4-11 GTR基極驅動電流波形

驅動與保護

1.GTR基極驅動電路

（1）對基極驅動電路的要求

①實現主電路與控制電路間的電隔離。

②導通時，基極正向驅動電流應有足夠陡的前沿，并有一定幅度的強制電流，以加速開通過程，減小開通損耗。

③GTR導通期，基極電流都應使GTR處在臨界飽和狀態，這樣既可降低導通飽和壓降，又可縮短關斷時間。

④在使GTR關斷時，應向基極提供足夠大的反向基極電流，以加快關斷速度，減小關斷損耗。

⑤應有較強的抗干擾能力，并有一定的保護功能。

（2）基極驅動電路

圖4-12 實用的GTR驅動電路

2.集成化驅動

集成化驅動電路克服了一般電路元件多、電路復雜、穩定性差和使用不便的缺點，還增加了保護功能。

3.GTR的保護電路

開關頻率較高，采用快熔保護是無效的。一般采用緩沖電路。主要有RC緩沖電路、充放電型R、C、VD緩沖電路和阻止放電型R、C、VD緩沖電路三種形式，如圖4-13所示。

圖4-13 GTR的緩沖電路

圖4-13a所示RC緩沖電路只適用于小容量的GTR（電流10 A以下）。圖4-13b所示充放電型R、C、VD緩沖電路用于大容量的GTR。圖4-13c所示阻止放電型R、C、VD緩沖電路，較常用于大容量GTR和高頻開關電路，其最大優點是緩沖產生的損耗小。

電力晶體管電路分析

圖6-21所示為三相橋式PWM逆變電路，功率開關器件為GTR，負載為電感性。從電路結構上看，三相橋式PWM變頻電路只能選用雙極性控制方式，其工作原理如下：

三相調制信號urU、urV和urW為相位依次相差120°的正弦波，而三相載波信號是公用一個正負方向變化的三角形波uc，如圖6-23所示。U、V和W相自關斷開關器件的控制方法相同，現以U相為例：在urU>uc的各區間，給上橋臂電力晶體管V1以導通驅動信號，而給下橋臂V4以關斷信號，于是U相輸出電壓相對直流電源Ud中性點N‘為uUN' =Ud/2。在urU<uc的各區間，給V1以關斷信號，V4為導通信號，輸出電壓uUN' =-Ud/2。電路中VD1～VD6二極管是為電感性負載換流過程提供續流回路，其它兩相的控制原理與U相相同。三相橋式PWM變頻電路的三相輸出的PWM波形分別為uUN’、uVN‘和uWN’。

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