《電力電子技術(shù)》課件-2.4 電力晶體管GTR的使用及檢測

電力晶體管GTR的使用及檢測—電力電子器件—GTR的結(jié)構(gòu)與工作原理第一章GTR的基本特性第二章目錄頁GTR的主要參數(shù)和安全工作區(qū)第三章GTR的驅(qū)動與保護(hù)第三章GTR的檢測第三章電力晶體管GTR的使用及檢測GTR的結(jié)構(gòu)與工作原理電力晶體管GTR，俗稱巨型晶體管，由于GTR中存在電子和空穴兩種載流子，所以又稱之為雙極型功率晶體管。GTR和GTO一樣具有自關(guān)斷能力，屬于電流控制型自關(guān)斷器件。GTR可通過基極電流信號方便地對集電極-發(fā)射極的通斷進(jìn)行控制，并具有飽和壓降低、開關(guān)性能好、電流較大、耐壓高、大功率以及高反向電壓等優(yōu)點(diǎn)，在耗散功率1W以上的到數(shù)百千瓦的電子設(shè)備中使用廣泛。電力晶體管GTR的使用及檢測GTR的結(jié)構(gòu)與工作原理電力晶體管的結(jié)構(gòu)與小功率晶體管非常類似，漏感使輸出電流脈沖前沿陡度受到限制，有三個電極分別為基極B、集電極C、發(fā)射極E；有兩種基本類型，NPN型和PNP型。GTR的結(jié)構(gòu)圖、電氣符號、正向?qū)ㄔ韴D如圖所示。圖

GTR的結(jié)構(gòu)圖、電氣符號、正向?qū)ㄔ韴D（a）結(jié)構(gòu)剖面示意圖（b）電氣符號（c）正向?qū)ㄔ韴D電力晶體管GTR的使用及檢測GTR的結(jié)構(gòu)與工作原理若外部電路使UCB>0，則集電結(jié)的PN結(jié)處于反偏狀態(tài);UBE>0，則發(fā)射結(jié)的PN結(jié)處于正偏狀態(tài)。則有UBC<0，集電結(jié)處于反向偏置，形成反向飽和電流ICBO，從N區(qū)流向P區(qū)。UBE>0，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，P區(qū)的多數(shù)載流子一空穴不斷地向N區(qū)擴(kuò)散形成空穴電流IPE，N區(qū)的多數(shù)載流子一電子不斷地向P區(qū)擴(kuò)散形成電子電流INE。由于晶體管的基區(qū)很薄，基區(qū)體積小，空穴數(shù)量不多，空穴向N區(qū)擴(kuò)散形成的電流IPE也小，可近似為IPE=0。而發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，有大量多數(shù)載流子電子經(jīng)發(fā)射結(jié)不斷地?cái)U(kuò)散到P區(qū)。電子帶負(fù)電，電流的正方向應(yīng)與電子運(yùn)動方向相反，因此，從N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子流所對應(yīng)的電流INE應(yīng)是從P區(qū)經(jīng)發(fā)射結(jié)流向N區(qū)，由于發(fā)射極電流IE應(yīng)為IPE和INE之和，故INE≈IE。電力晶體管GTR的使用及檢測GTR的基本特性靜態(tài)特性

晶體管有放大、飽和與截止三種工作狀態(tài)。①截止區(qū)：GTR的e結(jié)和c結(jié)均承受高反偏電壓，相當(dāng)于開關(guān)斷開。

②放大區(qū)：e結(jié)正偏、c結(jié)反偏，此時GTR功耗很大。

③飽和區(qū)：特點(diǎn)是e結(jié)和c結(jié)均正偏。GTR飽和導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)閉合。

GTR作開關(guān)時，其斷態(tài)工作點(diǎn)須在截止區(qū)，通態(tài)工作點(diǎn)須在飽和區(qū)。電力晶體管GTR的使用及檢測GTR的基本特性共射極電路的輸出特性曲線

電力晶體管GTR的使用及檢測GTR的主要參數(shù)◆電流放大倍數(shù)

、直流電流增益hFE、集電極與發(fā)射極間漏電流Iceo、集電極和發(fā)射極間飽和壓降Uces、開通時間ton和關(guān)斷時間toff

◆最高工作電壓?GTR上所加的電壓超過規(guī)定值時，就會發(fā)生擊穿。?擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。

?發(fā)射極開路時集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo

基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUceo

發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcer和BUces

發(fā)射結(jié)反向偏置時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcex

且存在以下關(guān)系：?實(shí)際使用GTR時，為了確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。電力晶體管GTR的使用及檢測GTR的主要參數(shù)◆集電極最大允許電流IcM?規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定的1/2~1/3時所對應(yīng)的Ic。?實(shí)際使用時要留有較大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)?！艏姌O最大耗散功率PcM

?指在最高工作溫度下允許的耗散功率。?產(chǎn)品說明書中在給出PcM時總是同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

電力晶體管GTR的使用及檢測GTR的二次擊穿現(xiàn)象和安全工作區(qū)◆當(dāng)GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。◆發(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時如不有效地限制電流，Ic增大到某個臨界點(diǎn)時會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿?！舫霈F(xiàn)一次擊穿后，GTR一般不會損壞，二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對GTR危害極大。

電力晶體管GTR的使用及檢測GTR的二次擊穿現(xiàn)象和安全工作區(qū)◆安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）

?將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。?GTR工作時不僅不能超過最高電壓UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功率PcM，也不能超過二次擊穿臨界線。

SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMGTR的安全工作區(qū)電力晶體管GTR的使用及檢測GTR的驅(qū)動與保護(hù)GTR對基極驅(qū)動電路的要求（1）開通需要使用具有一定幅值的信號，前沿要陡，并有一定的過飽和電流，這樣將縮短開通時間，減小開通損耗；（2）輸入脈沖持續(xù)時間大于GTR開關(guān)時間；（3）導(dǎo)通后驅(qū)動電流需要減小到使器件處于臨飽和的狀態(tài)，以便于關(guān)斷、減小存貯時間、降低導(dǎo)通飽和壓降；（4）關(guān)斷時需要提供較大的反向基極電流，和較大的電流變化率，縮短關(guān)斷時間和損耗；（5）實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路間的電隔離；（6）應(yīng)有較強(qiáng)的抗干擾能力，并有一定的故障保護(hù)功能，在主電路發(fā)生過熱、過壓、過流等故障時，迅速切斷驅(qū)動信號。電力晶體管GTR的使用及檢測GTR的驅(qū)動與保護(hù)

GTR的緩沖電路

與GTO的緩沖電路相同，由于電路中有電感的存在，在半導(dǎo)體器件關(guān)斷時，往往會在期間上產(chǎn)生很高的過電壓，反向偏置二次擊穿，緩沖電路將起到重要的保護(hù)作用，并可減小關(guān)斷損耗，常見的緩沖電路主要有RC緩沖電路、充放電型R、C、VD緩沖電路和阻止放電型R、C、VD緩沖電路三種形式，如圖所示。（a）小容量GTR的RC緩沖電路

（b）充放電型緩沖電路

（c）阻止放電型緩沖電路電力晶體管GTR的使用及檢測GTR的驅(qū)動與保護(hù)

GTR的過電流、短路保護(hù)

GTR承受浪涌電流能力較弱，工作頻率高，快速熔斷器不能對其進(jìn)行有效的保護(hù)，在驅(qū)動電路中采用過流、短路保護(hù)是最有效的方法之一。

由于GTR在飽和導(dǎo)通時管壓降UCE很小，當(dāng)過流時，基極提供的電流不足，將使晶體管推出飽和，UCE增高，晶體管電壓電流都很大，容易發(fā)生二次擊穿，損壞GTR，此時若能對UCE進(jìn)行檢測，當(dāng)其升高到一定值時，關(guān)斷GTR可有效的起到保護(hù)作用。

當(dāng)IB一定時，UBE隨IC的增大而升高，在當(dāng)發(fā)生短路時，對UBE的監(jiān)控將起到比UCE更有效地作用。電力晶體管GTR的使用及檢測GTR的檢測（1）管腳識別

通常把最大集電極電流或最大集電極耗散功率的晶體管稱為大功率晶體管，多用于大電流、高電壓的電路。一般分為金屬殼封裝和塑料封裝兩種，常見外形