第5章 電力晶體管GTR

1、電力晶體管（電力晶體管（GTRGTR） 5.1 GTR GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 5.2 GTR GTR的基本特性的基本特性 5.3 GTR GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù) 5.4 GTR GTR的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)第第5章章術(shù)語用法術(shù)語用法： 電力晶體管（Giant TransistRrGTR，直譯為巨型晶體管） 耐高電壓、大電流的晶體管（BipRlar JunctiRn TransistRrBJT），英文有時(shí)候也稱為PRwer BJT。 在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱等效。 應(yīng)用應(yīng)用 20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MRS

2、FET取代。GTRGTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理5.1圖1-15a)基極bP基區(qū)N漂移區(qū)N+襯底基極b 發(fā)射極c集電極cP+P+N+b)bec空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ib圖5.1 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)5.1與普通的晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。GTRGTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。 集電極電流ic與

3、基極電流ib之比為 GTR的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力 當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流IceR時(shí)，ic和ib的關(guān)系為 ic= ib +IceR 產(chǎn)品說明書中通常給直流電流增益hFE在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比。一般可認(rèn)為 hFE 。 單管GTR的 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。bcii5.1GTRGTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)截止區(qū)、放放大區(qū)大區(qū)和飽和區(qū)飽和區(qū)。 在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū) 在開

4、關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，要經(jīng)過放大區(qū)截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)圖1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce圖5.2 共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性GTR的基本特性的基本特性5.2(2) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 開通過程開通過程 延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開通時(shí)間開通時(shí)間ton。 增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時(shí)間，同時(shí)可縮短上升時(shí)間，從而加快開通過程 。圖1-17ibIb1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖5.3 GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形5.2G

5、TR的基本特性的基本特性 關(guān)斷過程關(guān)斷過程儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff 。ts是用來除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分。減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān)斷速度。負(fù)面作用是會(huì)使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗。GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多 。圖1-17ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd5.2GTR的基本特性的基

6、本特性圖5.3 GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形 前已述及：電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集射極間漏電流IceR、集射極間飽和壓降Uces、開通時(shí)間tRn和關(guān)斷時(shí)間tRff (此外還有此外還有)： 1) 最高工作電壓最高工作電壓 GTR上電壓超過規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。實(shí)際使用時(shí)，為確保安全，最高工作電壓要比UceR低得多。GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)5.3 2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。 3) 集電極最大耗散功率集電極

7、最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率產(chǎn)品說明書中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。5.3GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)GTRGTR的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路5.41. GTR1. GTR對(duì)基極驅(qū)動(dòng)電路的基本要求對(duì)基極驅(qū)動(dòng)電路的基本要求 GTR的基極驅(qū)動(dòng)電路可分為直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種方式。 直接驅(qū)動(dòng)方式是指驅(qū)動(dòng)電路與主電路之間直接連接。隔離驅(qū)動(dòng)方式則是指驅(qū)動(dòng)控制電路與主電路間沒有電的聯(lián)系，驅(qū)動(dòng)信號(hào)是通過隔離元件間傳送的。 相比較而言，隔離驅(qū)動(dòng)方式由于具有一定的抗干擾能力，安全性高，在實(shí)際中應(yīng)用較多。 GTRGTR的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路5.4通常，GTR驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)滿足以下基本要

8、求： 1）控制開通GTR時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流前沿要陡（小于1s并有一定的過沖電流，以縮短開通時(shí)間，減小開通損耗。 ），2）GTR導(dǎo)通后，應(yīng)相應(yīng)減小驅(qū)動(dòng)電流，使GTR處于準(zhǔn)飽 和導(dǎo)通狀態(tài)，且使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)，以降低 驅(qū)動(dòng)功率，縮短儲(chǔ)存時(shí)間。3）GTR關(guān)斷時(shí)，應(yīng)迅速加上足夠大的反向基極電流，迅速 抽取基區(qū)的剩余載流子，確保GTR快速關(guān)斷，并減小關(guān) 斷損耗。5）GTR的驅(qū)動(dòng)電路要具有自動(dòng)保護(hù)功能，以便在故障狀態(tài) 下能快速自動(dòng)切除基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，避免GTR遭至損壞。 GTRGTR的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形如圖5.5所示。 圖5.4理想的基極驅(qū)動(dòng)電流波形 5.4其中 是GTR的基極

9、電流初始值， 是GTR導(dǎo)通后并恰好運(yùn)行于準(zhǔn)飽和狀態(tài)時(shí)的正向電流值， 是當(dāng)GTR在關(guān)斷時(shí)所需施加的、足夠大的基極反向電流值。 2bI1bI3bIGTRGTR的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路5.42 2、貝克鉗位電路、貝克鉗位電路. . 為了提高GTR的工作速度，都以抗飽和的貝克鉗位電路作為基本電路。它使GTR工作在準(zhǔn)飽和狀態(tài)，提高了器件開關(guān)過程的快速性能，因此成為一種被廣泛采用的基本電路。 電路的具體形式如圖5.5所示。 利用此電路再配以固定的反向基極電流和固定的基極發(fā)射極反向偏壓，即可獲得較為滿意的驅(qū)動(dòng)效果。 圖5.5 貝克鉗位電路GTRGTR的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路5.4 基極驅(qū)動(dòng)電流信號(hào)由A點(diǎn)分三路與GT

10、R相連接。二極管VD1與GTR的集電極相連，保證在正向驅(qū)動(dòng)狀態(tài)C點(diǎn)比A點(diǎn)電位低一個(gè)二極管壓降的數(shù)值，這樣GTR的集電極至多處于零偏置狀態(tài)而決不會(huì)出現(xiàn)正偏置狀態(tài)，即GTR不可能進(jìn)入深飽和區(qū)。 二極管VD1稱為鉗位二極管，它相當(dāng)于一個(gè)溢流閥的作用，使過量的輸入驅(qū)動(dòng)電流不會(huì)全部流入GTR的基極，而經(jīng)VD1分路至GTR的集電極一部分，從而保證GTR始終處于準(zhǔn)飽和狀態(tài)。 這樣明顯地降低了存儲(chǔ)時(shí)間，提高了GTR的開關(guān)速度。 圖5.5 貝克鉗位電路GTRGTR的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路5.4 基極支路中串連的二極管VD2和VD3用來調(diào)整GTR的基極電流數(shù)值，從而可以改變GTR的飽和程度。 與VD2、VD3反并聯(lián)的

11、二極管VD5為反向抽走基區(qū)載流子提供了電流通路，從而加快了GTR的關(guān)斷過程。 圖5.5 貝克鉗位電路GTRGTR的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路圖5.6基極驅(qū)動(dòng)電路實(shí)例1 5.43. 3. 基極驅(qū)動(dòng)電路實(shí)例基極驅(qū)動(dòng)電路實(shí)例 1）由分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路）由分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路 GTRGTR的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路5.4 圖5.6是一種高效自保護(hù)GTR基極驅(qū)動(dòng)電路。它不但能對(duì)GTR電路的過載提供快速可靠的保護(hù)，而且可以改善GTR的開關(guān)特性，縮短開關(guān)時(shí)間，降低驅(qū)動(dòng)功率和提高驅(qū)動(dòng)效率。 電路由信號(hào)隔離電路、過載檢測電路、控制信號(hào)綜合電路和自適應(yīng)雙極性輸出電路組成。 圖5.6門極驅(qū)動(dòng)電路實(shí)例1 GTRGTR的驅(qū)動(dòng)電

12、路的驅(qū)動(dòng)電路5.4 信號(hào)隔離電路由發(fā)光二極管和晶體三極管組成，它將邏輯控制電路與驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了電氣隔離并且將信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大。 ceU 過載檢測電路由二極管VD6和比較器311組成。當(dāng)GTR集射極間管壓降 高于某一規(guī)定值時(shí)，比較器311發(fā)出過載保護(hù)信號(hào)。 控制信號(hào)綜合電路由三極管VT2構(gòu)成，其任務(wù)是將正常的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與過載禁止信號(hào)疊加處理后送給輸出級(jí)。 自適應(yīng)雙極性輸出電路由三極管VT3、VT4、VT5和二極管VD7組成，它起到提高開關(guān)速度的作用。 GTRGTR的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路5.4 該電路采用了自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)方式，它由跨接在GTR集電極和晶體管VT5基極之間的二極管VD7來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)GTR導(dǎo)通

13、后，E點(diǎn)電位低于D點(diǎn)電位時(shí)，VD7導(dǎo)通。由于VD7的分流作用使VT5的基極電流下降，導(dǎo)致GTR的基極驅(qū)動(dòng)電流下降，GTR飽和程度減小，進(jìn)而又使E點(diǎn)電位回升。由于VD7的管壓降與VT5發(fā)射結(jié)壓降近似相等，所以通過以上的自動(dòng)調(diào)節(jié)過程使GTR的 ，即在0.7V左右，由此來保證GTR工作于準(zhǔn)飽和區(qū)。 beceUU GTRGTR的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路5.4與圖5.5所示的基本貝克鉗位電路相比，自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)方式省掉了串聯(lián)二極管VD3和反并聯(lián)二極管VD5，并且由于對(duì)基極的分流是在前級(jí)驅(qū)動(dòng)管VT5的基極進(jìn)行的，在GTR輕載時(shí)流過VD2的電流比貝克鉗位電路中流過VD1的電流小得多，減小了驅(qū)動(dòng)電流的損失，因而有利于驅(qū)

14、動(dòng)效率的提高。 該電路能夠在驅(qū)動(dòng)電路中實(shí)現(xiàn)GTR本身過載的快速保護(hù)，在GTR導(dǎo)通期間不允許其管壓降過高，能夠避免造成功耗過大。電路中的一些輔助元件如光電耦合器、加速電容 、泄放電阻 以及由二極管VD3和VD5組成的VT3管抗飽和電路等均可減少驅(qū)動(dòng)電路本身的開關(guān)時(shí)間，進(jìn)而改善主電路的開關(guān)波形。 1C3RGTRGTR的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路5.4 2）集成化基極驅(qū)動(dòng)電路 由分立元件組成的基極驅(qū)動(dòng)電路都存在著電路組件多、電路復(fù)雜、穩(wěn)定性差和使用不便等缺點(diǎn)。 大規(guī)模集成化基極驅(qū)動(dòng)電路的出現(xiàn)不但解決了這些問題，同時(shí)還增加了電路保護(hù)功能。 UAA4002是法國THOMSON公司生產(chǎn)的專業(yè)集成化基極驅(qū)動(dòng)電路芯片

15、，是大規(guī)模集成化基極驅(qū)動(dòng)電路的典型代表。 它的完善的設(shè)計(jì)使其可對(duì)被驅(qū)動(dòng)的電力晶體管實(shí)現(xiàn)過電流、最大導(dǎo)通時(shí)間、最小導(dǎo)通時(shí)間、欠飽和、過飽和及驅(qū)動(dòng)電源正負(fù)電壓欠電壓保護(hù)和芯片自身工作溫度的檢測和保護(hù)等功能。 GTRGTR的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路5.4（1）UAA4002的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn) 可為用戶脈沖形成部分與被驅(qū)動(dòng)的功率晶體管之間提供理想的匹配。它是一個(gè)智能接口，其輸入與TTL電平及CMOS電平均兼容，其輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的延時(shí)時(shí)間可人為調(diào)節(jié)。 能把接收到的、以邏輯信號(hào)輸入的功率晶體管的導(dǎo)通信息，轉(zhuǎn)變?yōu)榧拥焦β示w管上的基極電流，來保證開關(guān)晶體管運(yùn)行于臨界飽和的最佳狀態(tài)，從而顯著減少了開關(guān)晶體管關(guān)斷

16、過程中的存儲(chǔ)時(shí)間。UAA5002可為開關(guān)晶體管提供一個(gè)最大為0.5A的正向基極驅(qū)動(dòng)電流，且電路自身的設(shè)計(jì)保證了這一電流值可以通過增加一個(gè)或幾個(gè)外部晶體管加以放大。 可為開關(guān)晶體管提供一個(gè)幅值為3A的反向基極電流，這一電流值足以使晶體管快速關(guān)斷，保證了晶體管集電極電流的下降時(shí)間極短，從而顯著減少了關(guān)斷損耗。同樣，反向基極電流亦可增加一個(gè)或幾個(gè)外部晶體管來放大。 應(yīng)用封裝于它內(nèi)部的高速邏輯處理器來保護(hù)開關(guān)晶體管。在晶體管導(dǎo)通過程中，該處理器監(jiān)控晶體管的集射結(jié)飽和壓降和晶體管的集電極電流，同時(shí)也監(jiān)控本集成塊工作的正負(fù)電源電壓和芯片的工作溫度。該邏輯處理器的最大和最小導(dǎo)通時(shí)間可由用戶設(shè)定。UAA400

17、2的有些功能是可刪除的，用戶可根據(jù)實(shí)際需要取舍。 GTRGTR的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路5.4（2）引腳排列、名稱、功能和用法 UAA4002為標(biāo)準(zhǔn)雙列直插式16引腳封閉的集成電路，它的引腳排列見圖5.7。 各引腳名稱、功能和用法見表5.1。 圖5.7 UAA5002管腳 5.4s引腳號(hào)引腳號(hào)符號(hào)符號(hào)功功 能能用用 法法 1IB2反向基極驅(qū)動(dòng)電流輸出端直接驅(qū)動(dòng)電流為50A以下的達(dá)林頓管時(shí)，直接與被驅(qū)動(dòng)的功率管的基極相連；經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)電流為50A以上的達(dá)林頓管時(shí)，接功率放大單元第一級(jí)的PNP管基極2UCC負(fù)電源電壓輸入端電壓的合適值為55V3INH刪除或降低功率晶體管導(dǎo)通能力控制端系統(tǒng)不需用此功能

18、時(shí)，將該端接地5SE工作方式選擇控制端有“電平”和“脈沖”兩種工作方式5E功率晶體管的基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端接光耦合器或脈沖變壓器的二次側(cè)，實(shí)現(xiàn)與脈沖形成部分的隔離6 R負(fù)電源電壓監(jiān)控保護(hù)動(dòng)作電平設(shè)置端通過外接電阻r與負(fù)電源相連7 RT控制端，是內(nèi)部偏置電流與邏輯處理器工作時(shí)間設(shè)置端可通過一外接電阻rT接地8 CT最大導(dǎo)通時(shí)間ton(max)設(shè)置端通過一外部電容接地9GND接地端提供整個(gè)UAA5002工作的參考地電平10RD的延時(shí)通過外接電阻rD接地11 RSD被驅(qū)動(dòng)的功率晶體管退飽和保護(hù)門檻設(shè)置端通過外接電阻rSd接地12IC功率晶體管集電極電流限制保護(hù)輸入端直接接到晶體管發(fā)射極的分流器或電流互感器的一個(gè)輸出端13UCE被驅(qū)動(dòng)的功率晶體管集電極與發(fā)射極間電壓檢測輸入端通過正極接到該端，負(fù)極接到功率晶體管集電極的 二極管與被驅(qū)動(dòng)的晶體管相連15UCC正電源電壓輸入端通常取1015V15U輸出級(jí)