电力晶体管

结构及基本原理

　　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

　　β=i c/i b   （1）

　　式中，β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=βi b+I c e o     (2)

分类

　　目前常用的电力晶体管的单管、达林顿管和模块这3种类型。

　　1、 单管电力晶体管

　　NPN三重扩散台面型结构是单管电力晶体管的典型结构，这种结构可靠性高，能改善器件的二次击穿特性，易于提高耐压能力，并易于散出内部热量。

　　2、  达林顿电力晶体管

　　达林顿结构的电力晶体管是由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。达林顿结构的电力晶体管电流放大倍数很大，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。

　　3、  电力晶体管模块

　　目前作为大功率的开关应用还是电力晶体管模块，它是将电力晶体管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。目前生产的电力晶体管模块，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。

主要参数

　　1、  电压参数

　　（1） 电压额定值

　　集电极电压额定值是指集电极的击穿电压值，它不仅因器件不同而不同，而且会因外电路接法不同而不同。击穿电压有：

　　① 　　BUCBO为发射极开路时，集电极-基极的击穿电压。

　　②     BUCBO为基极开路时，集电极-发射极的击穿电压。

　　③     BUCES为基极-射极短路时，集电极-发射极的击穿电压。

　　④     BUCER为基极-发射极间并联电阻时，集电极-发射极的击穿电压。并联电阻越小，其值越高。

　　⑤     BUCEX为基极-发射极施加反偏压时，集电极-发射极的击穿电压。

　　各种不同接法时的击穿电压的关系如下：

　　BUCBO>BUCEX>BUCES>BUCER>BUCEO

　　为了保证器件工作安全，电力晶体管的工作电压UCEM应比最小击穿电压BUCEO低。

　　（2）饱和压降UCES

　　处于深饱和区的集电极电压称为饱和压降，在大功率应用中它是一项重要指标，因为它关系到器件导通的功率损耗。单个电力晶体管的饱和压降一般不超过1~1.5V，它随集电极电流ICM的增加而增大。

　　2、  电流参数

　　（1） 集电极连续直流电流额定值IC

　　集电极连续直流电流额定值是指只要保证结温不超过允许的结温，晶体管允许连续通过的直流电流值。

　　（2）集电极电流额定值ICM

　　集电极电流额定值是指在允许结温下，不造成器件损坏的电流。超过该额定值必将导致晶体管内部结构的烧毁。在实际使用中，可以利用热容量效应，根据占空比来增大连续电流，但不能超过峰值额定电流。

　　（3）基极电流允许值IBM

　　基极电流允许值比集电极电流额定值要小得多，通常IBM=(1/10~1/2)ICM，而基极发射极间的电压额定值通常只有几伏。{{分页}}

　　3、  其他参数

　　（1）结温TJM

　　结温是指出正常工作时不损坏器件所允许的温度。它由器件所用的半导体材料、制造工艺、封装方式及可靠性要求来决定。塑封器件一般为120℃~150℃，金属封装为150℃~170℃。为了充分利用器件功率而又不超过允许结温，电力晶体管使用时必须选配合适的散热器。

　　（2）额定功耗PCM

　　额定功耗是指电力晶体管在允许结温时，所对应的耗散功率。它受结温限制，其大小主要由集电结工作电压和集电极电流的乘积决定。一般是在环境温度为25℃时测定，如果环境温度高于25℃，允许的PCM值应当减小。由于这部分功耗全部变成热量使器件结温升高，因此散热条件对电力晶体管的安全可靠十分重要，如果散热条件不好，器件就会因温度过高而烧毁；相反，如果散热条件越好，在给定的范围内允许的功耗也越高。

　　4、  二次击穿与安全工作区

　　（1）二次击穿现象

　　二次击穿是电力晶体管突然损坏的主要原因之一，成为影响其是否安全可靠使用的一个重要因素。前述的集电极-发射极击穿电压值BUCEO是一次击穿电压值，一次击穿时集电极电流急剧增加，如果有外加电阻限制电流的增长时，则一般不会引起电力晶体管特性变坏。但不加以限制，就会导致破坏性的二次击穿。二次击穿是指器件发生一次击穿后，集电极电流急剧增加，在某电压电流点将产生向低阻抗高速移动的负阻现象。一旦发生二次击穿就会使器件受到性损坏。

　　（2） 安全工作区（SOA）

　　电力晶体管在运行中受电压、电流、功率损耗和二次击穿等额定值的限制。为了使电力晶体管安全可靠地运行，必须使其工作在安全工作区范围内。安全工作区是由电力晶体管的二次击穿功率PSB、集射极电压UCEM、集电极电流ICM和集电极耗散功率PCM等参数限制的区域，如图4的阴影部分所示。

　　安全工作区是在一定的温度下得出的，例如环境温度25℃或管子壳温75℃等。使用时，如果超出上述指定的温度值，则允许功耗和二次击穿耐能都必须降低额定使用。

驱动电路

　　1、  GTR驱动电路的设计要求

　　GTR基极驱动方式直接影响其工作状态，可使某些特性参数得到改善或变坏，例如，过驱动加速开通，减少开通损耗，但对关断不利，增加了关断损耗。驱动电路有无快速保护功能，则是GTR在过压、过流后是否损坏的重要条件。GTR的热容量小，过载能力差，采用快速熔断器和过电流继电器是根本无法保护GTR的。因此，不再用切断主电路的方法，而是采用快速切断基极控制信号的方法进行保护。这就将保护措施转化成如何及时准确地测到故障状态和如何快速可靠地封锁基极驱动信号这2个方面的问题。

　　（1） 设计基极驱动电路考虑的因素

　　设计基极驱动电路必须考虑的3个方面：优化驱动特性、驱动方式和自动快速保护功能。

　　①     优化驱动特性

　　优化驱动特性就是以理想的基极驱动电流波形去控制器件的开关过程，保证较高的开关速度，减少开关损耗。优化的基极驱动电流波形与GTO门极驱动电流波形相似。{{分页}}

　　②     驱动方式

　　驱动方式按不同情况有不同的分类方法。在此处，驱动方式是指驱动电路与主电路之间的连接方式，它有直接和隔离2种驱动方式：直接驱动方式分为简单驱动、推挽驱动和抗饱驱动等形式；隔离驱动方式分为光电隔离和电磁隔离形式。

　　③     自动快速保护功能

　　在故障情况下，为了实现快速自动切断基极驱动信号以免GTR遭到损坏，必须采用快速保护措施。保护的类型一般有抗饱和、退抗饱和、过流、过压、过热和脉冲限制等。

　　（2） 基极驱动电路

　　GTR的基极驱动电路有恒流驱动电路、抗饱和驱动电路、固定反偏互补驱动电路、比例驱动电路、集成化驱动电路等多种形式。恒流驱动电路是指其使GTR的基极电流保持恒定，不随集电极电流变化而变化。抗饱和驱动电路也称为贝克箝位电路，其作用是让GTR开通时处于准饱和状态，使其不进入放大区和深饱和区，关断时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。固定反偏互补驱动电路是由具有正、负双电源供电的互补输出电路构成的，当电路输出为正时，GTR导通；当电路输出为负时，发射结反偏，基区中的过剩载流子被迅速抽出，管子迅速关断。比例驱动电路是使GTR的基极电流正比于集电极电流的变化，保证在不同负载情况下，器件的饱和深度基本相同。集成化驱动电路克服了上述电路元件多、电路复杂、稳定性差、使用不方便等缺点。具有代表性的器件是THOMSON公司的UAA4003和三菱公司的M57215BL。

　　①GTR的驱动电路种类很多，下面介绍一种分立元件GTR的驱动电路，如图5所示。电路由电气隔离和晶体管放大电路两部分构成。电路中的二极管VD2和电位补偿二极管VD3组成贝克箝位抗饱和电路，可使GTR导通时处于临界饱和状态。当负载轻时，如果V5的发射极电流全部注入V，会使V过饱和，关断时退饱和时间延长。有了贝克电路后，当V过饱和使得集电极电位低于基极电位时，VD2就会自动导通，使得多余的驱动电流流入集电极，维持Ubc≈0。这样，就使得V导通时始终处于临界饱和。图中的C2为加速开通过程的电容，开通时，R5被C2短路。这样就可以实现驱动电流的过冲，同时增加前沿的陡度，加快开通。另外，在V5导通时C2充电，充电的极性为左正右负，为GTR的关断做做准备。当V5截止V6导通时，C2上的充电电压为V管的发射结施加反电压，从而GTR迅速关断。

　　②GTR集成驱动电路种类很多，下面简单介绍几种情况：

　　HL202是国产双列直插、20引脚GTR集成驱动电路，内有微分变压器实现信号隔离，贝克箝位退饱和、负电源欠压保护。工作电源电压+8~+10V和-5.5V~ -7V，输出电流大于2.5A，可以驱动100A以下GTR。

　　UAA4003是双列直插、16引脚GTR集成驱动电路，可以对被驱动的GTR实现驱动和完善保护，保证GTR运行于临界饱和的理想状态，自身具有PWM脉冲形成单元，特别适用于直流斩波器系统。

　　M57215BL是双列直插、8引脚GTR集成驱动电路，单电源自生负偏压工作，可以驱动50A，1000V以下的GTR模块一个单元；外加功率放大可以驱动75~400A以上GTR模块。{{分页}}

缓冲电路

　　电力晶体管的缓冲电路(也称吸收电路)

　　作用：降低浪涌电压、减少器件的开关损耗、避免器件的二次击穿、抑制电磁干扰、减少du/dt、di/dt的影响以及提高电路的可靠性。

　　为了避免同时出现电压和电流的值，应分别考虑开启缓冲与关断缓冲的设置，以减少器件的开关耗损。

　　（1）关断缓冲电路

　　关键是加入缓冲电容。限制du/dt，因此，不会出现集电极电压与集电极电流同时为的情况，因而不会出现瞬时尖峰功耗。书上图2-21所示。

　　电容量越大，瞬时关断损耗越小。

　　（2）开通缓冲电路

　　开通时的关键因素是di/dt，常采用串联电感的方法进行缓冲。因此，不会出现集电极电压与集电极电流同时为的情况，因而不会出现瞬时尖峰功耗。书上图2-22所示。

　　电感量越大，开通损耗越小。

　　（3）复合缓冲电路

　　将关断缓冲电路与开通缓冲电路结合在一起。