电力晶体管基础知识图解

电力晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管，所以有时也称为Power BJT；但其驱动电路复杂，驱动功率大；GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。

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，产生于上个世纪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IGBT所代替。它的符号如图1,和普通的NPN晶体管一样。

电力晶体管的结构

电力晶体管（Giant Transistor）简称GTR又称BJT（Bipolar Junction Transistor），GTR和BJT这两个名称是等效的，结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。GTR由三层半导体、两个PN结组成。和小功率三极管一样，有PNP和NPN两种类型，GTR通常多用NPN结构。

电力晶体管工作原理

在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。GTR通常工作在正偏（Ib>0）时大电流导通；反偏（Ib<0=时处于截止状态。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。

电力晶体管特点

l 输出电压

可以采用脉宽调制方式，故输出电压为幅值等于直流电压的强脉冲序列。

2 载波频率

由于电力晶体管的开通和关断时间较长，故允许的载波频率较低，大部分变频器的上限载波频率约为1.2～1.5kHz左右。

3 电流波形

因为载波频率较低，故电流的高次谐波成分较大。这些高次谐波电流将在硅钢片中形成涡流，并使硅钢片相互间因产生电磁力而振动，并产生噪音。又因为载波频率处于人耳对声音较为敏感的区域，故电动机的电磁噪音较强。

4 输出转矩

因为电流中高次谐波的成分较大，故在50Hz时，电动机轴上的输出转矩与工频运行时相比，略有减小。

电力晶体管的基本特性

（1）静态特性

共发射极接法时可分为三个工作区：

① 截止区。在截止区内，iB≤0，uBE≤0，uBC<0，集电极只有漏电流流过。

② 放大区。iB >0，uBE>0，uBC<0，iC =βiB。

③ 饱和区。iB >Ics/β，uBE>0，uBC>0，iCS是集电极饱和电流，其值由外电路决定。

结论：两个PN结都为正向偏置是饱和的特征。饱和时，集电极、发射极间的管压降uCE很小，相当于开关接通，这时尽管电流很大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临界饱和，如iB继续增加，则为过饱和，用作开关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降低uCE和减小导通时的损耗。

（2）动态特性

图4-9 GTR开关特性

GTR在关断时漏电流很小，导通时饱和压降很小。因此，GTR在导通和关断状态下损耗都很小，但在关断和导通的转换过程中，电流和电压都较大，所以开关过程中损耗也较大。当开关频率较高时，开关损耗是总损耗的主要部分。因此，缩短开通和关断时间对降低损耗、提高效率和提高运行可靠性很有意义。

电力晶体管的主要参数

（1）最高工作电压

（2）集电极最大允许电流ICM

（3）集电极最大允许耗散功率PCM

（4）最高工作结温TJM

二次击穿和安全工作区

（1）二次击穿

二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一个重要因素。当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。出现一次击穿后，只要Ic不超过与最大运行耗散功率相对应的限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不会有什么变化。但是实际应用中常常发现一次击穿发生时如不有效地限制电流，Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的突然下降，这种现象称为二次击穿。防止二次击穿的办法是：①应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多。②必须有电压电流缓冲保护措施。

（2）安全工作区

以直流极限参数ICM、PCM、UCEM构成的工作区为一次击穿工作区，以USB （二次击穿电压）与ISB （二次击穿电流）组成的PSB （二次击穿功率）是一个不等功率曲线。为了防止二次击穿，要选用足够大功率的GTR，实际使用的最高电压通常比GTR的极限电压低很多。

图4-10 GTR安全工作区

图4-11 GTR基极驱动电流波形

驱动与保护

1.GTR基极驱动电路

（1）对基极驱动电路的要求

①实现主电路与控制电路间的电隔离。

②导通时，基极正向驱动电流应有足够陡的前沿，并有一定幅度的强制电流，以加速开通过程，减小开通损耗。

③GTR导通期，基极电流都应使GTR处在临界饱和状态，这样既可降低导通饱和压降，又可缩短关断时间。

④在使GTR关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流，以加快关断速度，减小关断损耗。

⑤应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能。

（2）基极驱动电路

图4-12 实用的GTR驱动电路

2.集成化驱动

集成化驱动电路克服了一般电路元件多、电路复杂、稳定性差和使用不便的缺点，还增加了保护功能。

3.GTR的保护电路

开关频率较高，采用快熔保护是无效的。一般采用缓冲电路。主要有RC缓冲电路、充放电型R、C、VD缓冲电路和阻止放电型R、C、VD缓冲电路三种形式，如图4-13所示。

图4-13 GTR的缓冲电路

图4-13a所示RC缓冲电路只适用于小容量的GTR（电流10 A以下）。图4-13b所示充放电型R、C、VD缓冲电路用于大容量的GTR。图4-13c所示阻止放电型R、C、VD缓冲电路，较常用于大容量GTR和高频开关电路，其最大优点是缓冲产生的损耗小。

电力晶体管电路分析

图6-21所示为三相桥式PWM逆变电路，功率开关器件为GTR，负载为电感性。从电路结构上看，三相桥式PWM变频电路只能选用双极性控制方式，其工作原理如下：

三相调制信号urU、urV和urW为相位依次相差120°的正弦波，而三相载波信号是公用一个正负方向变化的三角形波uc，如图6-23所示。U、V和W相自关断开关器件的控制方法相同，现以U相为例：在urU>uc的各区间，给上桥臂电力晶体管V1以导通驱动信号，而给下桥臂V4以关断信号，于是U相输出电压相对直流电源Ud中性点N‘为uUN' =Ud/2。在urU<uc的各区间，给V1以关断信号，V4为导通信号，输出电压uUN' =-Ud/2。电路中VD1～VD6二极管是为电感性负载换流过程提供续流回路，其它两相的控制原理与U相相同。三相桥式PWM变频电路的三相输出的PWM波形分别为uUN’、uVN‘和uWN’。

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