第2章 电力晶体管

1、第二章 电力晶体管（GTR）§2-1 电力晶体管的结构与工作原理GTR是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力,产生于本世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和

2、IGBT所代替。它的符号如图1,和普通的NPN晶体管一样。一、单管GTR1. 单管 GTR结构电力晶体管有与一般双极型晶体管相似的结构、工作原理和特性。它们都是3层半导体，2个PN结的三端器件，有PNP和NPN这2种类型，但GTR多采用NPN型。GTR的结构、电气符号和基本工作原理，如图1所示。在应用中，GTR一般采用共发射极接法，如图1(c)所示。集电极电流i c与基极电流i b的比值为=i c/i b (1)式中，称为GTR的电流放大系数，它反映出基极电流对集电极电流的控制能力。单管GTR的电流放大系数很小，通常为10左右。在考虑集电极和发射极之间的漏电流时，i c=i b+I c e o

3、 (2)2. 单管 GTR的工作原理与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的主要特性是耐压高、电流大、开关特性好通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成一般采用共发射极接法，集电极电流ic与基极电流ib之比为 （1-9）( GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力)当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 ic=ib +Iceo （1-10）产品说明书中通常给直流电流增益hFE在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。一般可认为hFE单管GTR的值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增

4、大电流增益。二、达林顿GTR达林顿GTR模块 达林顿结构的GTR是由2个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性质取决于驱动管，它与普通复合三极管相似。达林顿结构的GTR电流放大倍数很大，可以达到几十至几千倍。虽然达林顿结构大大提高了电流放大倍数，但其饱和管压降却增加了，增大了导通损耗，同时降低了管子的工作速度。 GTR模块目前作为大功率的开关应用还是GTR模块，它是将GTR管芯及为了改善性能的1个元件组装成1个单元，然后根据不同的用途将几个单元电路构成模块，集成在同一硅片上。这样，大大提高了器件的集成度、工作的可靠性和性能/价格比，同时也实现了小型轻量化。目前生产的GTR模

5、块，可将多达6个相互绝缘的单元电路制在同一个模块内，便于组成三相桥电路。为了提高GTR的开关速度，可选用结电容比较小的快速开关管，还可用加速电容来改善GTR的开关特性。在GTR的基极电阻两端并联一个电容，利用换流瞬间其上电压不能突变的特性，也可改善管子的开关特性。§2-2 电力晶体管的特性与参数 GTR的基本特性一、图2 共发射极接法时GTR的静态特性 静态特性 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。 在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区。 在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。静态特性可分为输入特性和输出特性。输入特性与二

6、极管的伏安特性相似，在此仅介绍其共射极电路的输出特性。GTR共射极电路的输出特性曲线，如图2所示。由图明显看出，静态特性分为3个区域，即人们所熟悉的截止区、放大区及饱和区。当集电结和发射结处于反偏状态，或集电结处于反偏状态，发射结处于零偏状态时，管子工作在截止区;当发射结处于正偏、集电结处于反偏状态时，管子工作在放大区;当发射和集电结都处于正偏状态时，管子工作在饱和区。GTR在电力电子电路中，需要工作在开关状态，因此它是在饱和和截止区之间交替工作。二、 动态特性开通过程图1.13 GTR的开通和关断过程电流波形延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。td主要是由发射结势垒电容和集

7、电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程由于管子结电容和储存电荷的存在，开关过程不是瞬时完成的。GTR开通时需要经过延时时间和上升时间，二者之和为开通时间;关断时需要经过储存时间和下降时间，二者之和为关断时间。分页实际应用中，在开通GTR时，加大驱动电流i b和其上升率，可减小td和tr ，但电流也不能太大，否则会由于过饱和而增大t s。在关断GTR时，加反向基极电压可加速存储电荷的消散，减少t s ，但反向电压不能太大，以免使发射结击穿。为了提高GTR的开关速度，可选用结电容比较小的快速开关管，还可用加速电容来改善GTR的

8、开关特性。在GTR的基极电阻两端并联一个电容，利用换流瞬间其上电压不能突变的特性，也可改善管子的开关特性。 关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toffts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗 GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。三、 GTR的主要参数前已述及：电流放大倍数(、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uce

9、s、开通时间ton和关断时间toff此外还有：1) 最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿，击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关：BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> BUceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多2) 集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic；实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。3) 集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。四、 GTR的二次击穿现象与安全工作区 一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿 只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变 二次击穿 一次击