电力晶体管的详细资料

电力晶体管的结构

　　电力晶体管(Giant Transistor)简称GTR，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。

[编辑本段]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。

[编辑本段]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。

[编辑本段]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4-8 GTR共发射极接法的输出特性

　　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。

[编辑本段]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。二次击穿是由于集电极电压升高到一定值(未达到极限值)时，发生雪崩效应造成的。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

[编辑本段]电力晶体管的驱动与保护

　　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。

　　a) b) c)

　　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。

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'。