半導體器件：電力晶體管是什么？特點(diǎn)原理分析-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2021-07-14
電力晶體管按英文Giant Transistor——GTR，是一種耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（Bipolar Junction Transistor—BJT），所以有時(shí)也稱(chēng)為Power BJT；但其驅動(dòng)電路復雜，驅動(dòng)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(guān)斷能力,產(chǎn)生于上個(gè)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(kāi)關(guān)時(shí)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(kāi)關(guān)損耗小、開(kāi)關(guān)時(shí)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(diǎn)是驅動(dòng)電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。在開(kāi)關(guān)電源和UPS內，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的符號,和普通的NPN晶體管一樣。
電力晶體管(Giant Transistor)簡(jiǎn)稱(chēng)GTR又稱(chēng)BJT（Bipolar Junction Transistor），GTR和BJT這兩個(gè)名稱(chēng)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(gè)PN結組成。和小功率三極管一樣，有PNP和NPN兩種類(lèi)型，GTR通常多用NPN結構。
在電力電子技術(shù)中，GTR主要工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。GTR通常工作在正偏(Ib>0)時(shí)大電流導通；反偏(Ib<0=時(shí)處于截止狀態(tài)。因此，給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅動(dòng)信號，它將工作于導通和截止的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
1.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(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間較長(cháng)，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(chǎn)生電磁力而振動(dòng)，并產(chǎn)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(dòng)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(shí)，電動(dòng)機軸上的輸出轉矩與工頻運行時(shí)相比，略有減小。
(1)靜態(tài)特性
共發(fā)射極接法時(shí)可分為三個(gè)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(guò)。
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(gè)PN結都為正向偏置是飽和的特征。飽和時(shí)，集電極、發(fā)射極間的管壓降uCE很小，相當于開(kāi)關(guān)接通，這時(shí)盡管電流很大，但損耗并不大。
GTR剛進(jìn)入飽和時(shí)為臨界飽和，如iB繼續增加，則為過(guò)飽和，用作開(kāi)關(guān)時(shí)，應工作在深度飽和狀態(tài)，這有利于降低uCE和減小導通時(shí)的損耗。
(2)動(dòng)態(tài)特性
GTR共發(fā)射極接法的輸出特性
圖1GTR開(kāi)關(guān)特性
GTR在關(guān)斷時(shí)漏電流很小，導通時(shí)飽和壓降很小。因此，GTR在導通和關(guān)斷狀態(tài)下?lián)p耗都很小，但在關(guān)斷和導通的轉換過(guò)程中，電流和電壓都較大，所以開(kāi)關(guān)過(guò)程中損耗也較大。
當開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗是總損耗的主要部分。因此，縮短開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間對降低損耗、提高效率和提高運行可靠性很有意義。
(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(gè)重要因素。當GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，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(chēng)為一次擊穿。
出現一次擊穿后，只要Ic不超過(guò)與最大運行耗散功率相對應的限度，GTR一般不會(huì )損壞，工作特性也不會(huì )有什么變化。
但是實(shí)際應用中常常發(fā)現一次擊穿發(fā)生時(shí)如不有效地限制電流，Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì )突然急劇上升，同時(shí)伴隨著(zhù)電壓的突然下降，這種現象稱(chēng)為二次擊穿。
防止二次擊穿的辦法是：①應使實(shí)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
圖2 GTR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(gè)不等功率曲線(xiàn)。
為了防止二次擊穿，要選用足夠大功率的GTR，實(shí)際使用的最高電壓通常比GTR的極限電壓低很多。
圖3 GTR基極驅動(dòng)電流波形
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