電力雙極型晶體管(GTR)是一種耐高壓,、能承受大電流的雙極晶體管，也稱(chēng)為BJT,，簡(jiǎn)稱(chēng)為電力晶體管。它與晶閘管不同,，具有線性放大特性，但在電力電子應(yīng)用中卻工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而減小功耗,。GTR可通過(guò)基極控制其開(kāi)通和關(guān)斷，是典型的自關(guān)斷器件,。

一,、電力晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理　

　電力晶體管有與一般雙極型晶體管相似的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性,。它們都是3層半導(dǎo)體,，2個(gè)PN結(jié)的三端器件，有PNP和NPN這2種類(lèi)型,，但GTR多采用NPN型,。GTR的結(jié)構(gòu)、電氣符號(hào)和基本工作原理,，如圖1所示,。

　　在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法,，如圖1(c)所示,。集電極電流i c與基極電流i b的比值為　　β=i c/i b (1)　　式中，β稱(chēng)為GTR的電流放大系數(shù),，它反映出基極電流對(duì)集電極電流的控制能力,。單管GTR的電流放大系數(shù)很小，通常為10左右,?！　≡诳紤]集電極和發(fā)射極之間的漏電流時(shí)，　　i c=βi b+I c e o (2)

二,、GTR的類(lèi)型　　

目前常用的GTR的單管,、達(dá)林頓管和模塊這3種類(lèi)型。1,、 單管GTR　　NPN三重?cái)U(kuò)散臺(tái)面型結(jié)構(gòu)是單管GTR的典型結(jié)構(gòu),，這種結(jié)構(gòu)可靠性高，能改善器件的二次擊穿特性,，易于提高耐壓能力,，并易于散出內(nèi)部熱量。2,、 達(dá)林頓GTR　　達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的GTR是由2個(gè)或多個(gè)晶體管復(fù)合而成,，可以是PNP型也可以是NPN型，其性質(zhì)取決于驅(qū)動(dòng)管，它與普通復(fù)合三極管相似,。達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的GTR電流放大倍數(shù)很大,，可以達(dá)到幾十至幾千倍。雖然達(dá)林頓結(jié)構(gòu)大大提高了電流放大倍數(shù),，但其飽和管壓降卻增加了,，增大了導(dǎo)通損耗，同時(shí)降低了管子的工作速度,。3,、 GTR模塊　　目前作為大功率的開(kāi)關(guān)應(yīng)用還是GTR模塊，它是將GTR管芯及為了改善性能的1個(gè)元件組裝成1個(gè)單元,，然后根據(jù)不同的用途將幾個(gè)單元電路構(gòu)成模塊,，集成在同一硅片上。這樣,，大大提高了器件的集成度,、工作的可靠性和性能/價(jià)格比，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了小型輕量化,。目前生產(chǎn)的GTR模塊,，可將多達(dá)6個(gè)相互絕緣的單元電路制在同一個(gè)模塊內(nèi)，便于組成三相橋電路,。

三,、GTR的特性1、 靜態(tài)特性

　靜態(tài)特性可分為輸入特性和輸出特性,。輸入特性與二極管的伏安特性相似,，在此僅介紹其共射極電路的輸出特性。GTR共射極電路的輸出特性曲線,，如圖2所示,。由圖明顯看出，靜態(tài)特性分為3個(gè)區(qū)域,，即人們所熟悉的截止區(qū),、放大區(qū)及飽和區(qū)。當(dāng)集電結(jié)和發(fā)射結(jié)處于反偏狀態(tài),，或集電結(jié)處于反偏狀態(tài),，發(fā)射結(jié)處于零偏狀態(tài)時(shí)，管子工作在截止區(qū);當(dāng)發(fā)射結(jié)處于正偏,、集電結(jié)處于反偏狀態(tài)時(shí),，管子工作在放大區(qū);當(dāng)發(fā)射和集電結(jié)都處于正偏狀態(tài)時(shí)，管子工作在飽和區(qū),。GTR在電力電子電路中,，需要工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),，因此它是在飽和和截止區(qū)之間交替工作。

　　2,、 動(dòng)態(tài)特性　　GTR是用基極電流控制集電極電流的,，器件開(kāi)關(guān)過(guò)程的瞬態(tài)變化，就反映出其動(dòng)態(tài)特性,。GTR的動(dòng)態(tài)特性曲線,，如圖3所示,。

　　由于管子結(jié)電容和儲(chǔ)存電荷的存在,，開(kāi)關(guān)過(guò)程不是瞬時(shí)完成的。GTR開(kāi)通時(shí)需要經(jīng)過(guò)延時(shí)時(shí)間和上升時(shí)間,，二者之和為開(kāi)通時(shí)間;關(guān)斷時(shí)需要經(jīng)過(guò)儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間,，二者之和為關(guān)斷時(shí)間。{{分頁(yè)}}　　實(shí)際應(yīng)用中,，在開(kāi)通GTR時(shí),，加大驅(qū)動(dòng)電流i b和其上升率，可減小td和tr ,，但電流也不能太大,，否則會(huì)由于過(guò)飽和而增大t s。在關(guān)斷GTR時(shí),，加反向基極電壓可加速存儲(chǔ)電荷的消散,，減少t s ，但反向電壓不能太大,，以免使發(fā)射結(jié)擊穿,。　　為了提高GTR的開(kāi)關(guān)速度,，可選用結(jié)電容比較小的快速開(kāi)關(guān)管,，還可用加速電容來(lái)改善GTR的開(kāi)關(guān)特性。在GTR的基極電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容,，利用換流瞬間其上電壓不能突變的特性,，也可改善管子的開(kāi)關(guān)特性。

四,、GTR的主要參數(shù)

1,、 電壓參數(shù)

(1) 最高電壓額定值　　最高集電極電壓額定值是指集電極的擊穿電壓值，它不僅因器件不同而不同,，而且會(huì)因外電路接法不同而不同,。擊穿電壓有：① 　　BUCBO為發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電極-基極的擊穿電壓,。② BUCBO為基極開(kāi)路時(shí),，集電極-發(fā)射極的擊穿電壓,。③ BUCES為基極-射極短路時(shí)，集電極-發(fā)射極的擊穿電壓,。④ BUCER為基極-發(fā)射極間并聯(lián)電阻時(shí),，集電極-發(fā)射極的擊穿電壓。并聯(lián)電阻越小,，其值越高,。⑤ BUCEX為基極-發(fā)射極施加反偏壓時(shí)，集電極-發(fā)射極的擊穿電壓,?！　?/p>

各種不同接法時(shí)的擊穿電壓的關(guān)系如下：　

　BUCBO>BUCEX>BUCES>BUCER>BUCEO　　為了保證器件工作安全，GTR的最高工作電壓UCEM應(yīng)比最小擊穿電壓BUCEO低,。(2)飽和壓降UCES　　處于深飽和區(qū)的集電極電壓稱(chēng)為飽和壓降,，在大功率應(yīng)用中它是一項(xiàng)重要指標(biāo)，因?yàn)樗P(guān)系到器件導(dǎo)通的功率損耗,。單個(gè)GTR的飽和壓降一般不超過(guò)1~1.5V,，它隨集電極電流ICM的增加而增大。

2,、 電流參數(shù)(1) 集電極連續(xù)直流電流額定值IC　　集電極連續(xù)直流電流額定值是指只要保證結(jié)溫不超過(guò)允許的最高結(jié)溫,，晶體管允許連續(xù)通過(guò)的直流電流值。(2)集電極最大電流額定值ICM　　集電極最大電流額定值是指在最高允許結(jié)溫下,，不造成器件損壞的最大電流,。超過(guò)該額定值必將導(dǎo)致晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的燒毀。在實(shí)際使用中,，可以利用熱容量效應(yīng),，根據(jù)占空比來(lái)增大連續(xù)電流，但不能超過(guò)峰值額定電流,。(3)基極電流最大允許值IBM　　基極電流最大允許值比集電極最大電流額定值要小得多,，通常IBM=(1/10~1/2)ICM，而基極發(fā)射極間的最大電壓額定值通常只有幾伏,。

3,、 其他參數(shù)(1)最高結(jié)溫TJM　　最高結(jié)溫是指出正常工作時(shí)不損壞器件所允許的最高溫度。它由器件所用的半導(dǎo)體材料,、制造工藝,、封裝方式及可靠性要求來(lái)決定。塑封器件一般為120℃~150℃,，金屬封裝為150℃~170℃,。為了充分利用器件功率而又不超過(guò)允許結(jié)溫，GTR使用時(shí)必須選配合適的散熱器,。(2)最大額定功耗PCM　　最大額定功耗是指GTR在最高允許結(jié)溫時(shí),，所對(duì)應(yīng)的耗散功率,。它受結(jié)溫限制，其大小主要由集電結(jié)工作電壓和集電極電流的乘積決定,。一般是在環(huán)境溫度為25℃時(shí)測(cè)定,，如果環(huán)境溫度高于25℃，允許的PCM值應(yīng)當(dāng)減小,。由于這部分功耗全部變成熱量使器件結(jié)溫升高,，因此散熱條件對(duì)GTR的安全可靠十分重要，如果散熱條件不好,，器件就會(huì)因溫度過(guò)高而燒毀;相反,，如果散熱條件越好，在給定的范圍內(nèi)允許的功耗也越高,。

4,、 二次擊穿與安全工作區(qū)(1)二次擊穿現(xiàn)象　　二次擊穿是GTR突然損壞的主要原因之一,，成為影響其是否安全可靠使用的一個(gè)重要因素,。前述的集電極-發(fā)射極擊穿電壓值BUCEO是一次擊穿電壓值，一次擊穿時(shí)集電極電流急劇增加,，如果有外加電阻限制電流的增長(zhǎng)時(shí),，則一般不會(huì)引起GTR特性變壞。但不加以限制,，就會(huì)導(dǎo)致破壞性的二次擊穿,。二次擊穿是指器件發(fā)生一次擊穿后，集電極電流急劇增加,，在某電壓電流點(diǎn)將產(chǎn)生向低阻抗高速移動(dòng)的負(fù)阻現(xiàn)象,。一旦發(fā)生二次擊穿就會(huì)使器件受到永久性損壞。(2) 安全工作區(qū)(SOA)

GTR在運(yùn)行中受電壓,、電流,、功率損耗和二次擊穿等額定值的限制。為了使GTR安全可靠地運(yùn)行,，必須使其工作在安全工作區(qū)范圍內(nèi),。安全工作區(qū)是由GTR的二次擊穿功率PSB、集射極最高電壓UCEM,、集電極最大電流ICM和集電極最大耗散功率PCM等參數(shù)限制的區(qū)域,，如圖4的陰影部分所示?！　“踩ぷ鲄^(qū)是在一定的溫度下得出的,，例如環(huán)境溫度25℃或管子殼溫75℃等。使用時(shí),，如果超出上述指定的溫度值,，則允許功耗和二次擊穿耐能都必須降低額定使用,。

五、GTR的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路

1,、 GTR驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求　　GTR基極驅(qū)動(dòng)方式直接影響其工作狀態(tài),，可使某些特性參數(shù)得到改善或變壞，例如,，過(guò)驅(qū)動(dòng)加速開(kāi)通,，減少開(kāi)通損耗，但對(duì)關(guān)斷不利,，增加了關(guān)斷損耗,。驅(qū)動(dòng)電路有無(wú)快速保護(hù)功能，則是GTR在過(guò)壓,、過(guò)流后是否損壞的重要條件,。GTR的熱容量小，過(guò)載能力差,，采用快速熔斷器和過(guò)電流繼電器是根本無(wú)法保護(hù)GTR的,。因此，不再用切斷主電路的方法,，而是采用快速切斷基極控制信號(hào)的方法進(jìn)行保護(hù),。這就將保護(hù)措施轉(zhuǎn)化成如何及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)到故障狀態(tài)和如何快速可靠地封鎖基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)這2個(gè)方面的問(wèn)題。

(1) 設(shè)計(jì)基極驅(qū)動(dòng)電路考慮的因素　　設(shè)計(jì)基極驅(qū)動(dòng)電路必須考慮的3個(gè)方面：優(yōu)化驅(qū)動(dòng)特性,、驅(qū)動(dòng)方式和自動(dòng)快速保護(hù)功能,。① 優(yōu)化驅(qū)動(dòng)特性優(yōu)化驅(qū)動(dòng)特性就是以理想的基極驅(qū)動(dòng)電流波形去控制器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程，保證較高的開(kāi)關(guān)速度,，減少開(kāi)關(guān)損耗,。優(yōu)化的基極驅(qū)動(dòng)電流波形與GTO門(mén)極驅(qū)動(dòng)電流波形相似。② 驅(qū)動(dòng)方式　　驅(qū)動(dòng)方式按不同情況有不同的分類(lèi)方法,。在此處,，驅(qū)動(dòng)方式是指驅(qū)動(dòng)電路與主電路之間的連接方式，它有直接和隔離2種驅(qū)動(dòng)方式：直接驅(qū)動(dòng)方式分為簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng),、推挽驅(qū)動(dòng)和抗飽驅(qū)動(dòng)等形式;隔離驅(qū)動(dòng)方式分為光電隔離和電磁隔離形式,。③ 自動(dòng)快速保護(hù)功能　　在故障情況下，為了實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)切斷基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)以免GTR遭到損壞,，必須采用快速保護(hù)措施,。保護(hù)的類(lèi)型一般有抗飽和、退抗飽和,、過(guò)流,、過(guò)壓、過(guò)熱和脈沖限制等,。

(2) 基極驅(qū)動(dòng)電路　　GTR的基極驅(qū)動(dòng)電路有恒流驅(qū)動(dòng)電路,、抗飽和驅(qū)動(dòng)電路,、固定反偏互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路、比例驅(qū)動(dòng)電路,、集成化驅(qū)動(dòng)電路等多種形式,。恒流驅(qū)動(dòng)電路是指其使GTR的基極電流保持恒定，不隨集電極電流變化而變化,?？癸柡万?qū)動(dòng)電路也稱(chēng)為貝克箝位電路，其作用是讓GTR開(kāi)通時(shí)處于準(zhǔn)飽和狀態(tài),，使其不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū),，關(guān)斷時(shí)，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗,。固定反偏互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路是由具有正,、負(fù)雙電源供電的互補(bǔ)輸出電路構(gòu)成的，當(dāng)電路輸出為正時(shí),，GTR導(dǎo)通;當(dāng)電路輸出為負(fù)時(shí),，發(fā)射結(jié)反偏，基區(qū)中的過(guò)剩載流子被迅速抽出,，管子迅速關(guān)斷,。比例驅(qū)動(dòng)電路是使GTR的基極電流正比于集電極電流的變化，保證在不同負(fù)載情況下,，器件的飽和深度基本相同。集成化驅(qū)動(dòng)電路克服了上述電路元件多,、電路復(fù)雜,、穩(wěn)定性差、使用不方便等缺點(diǎn),。具有代表性的器件是THOMSON公司的UAA4003和三菱公司的M57215BL,。　?、貵TR的驅(qū)動(dòng)電路種類(lèi)很多,，下面介紹一種分立元件GTR的驅(qū)動(dòng)電路，如圖5所示,。電路由電氣隔離和晶體管放大電路兩部分構(gòu)成,。電路中的二極管VD2和電位補(bǔ)償二極管VD3組成貝克箝位抗飽和電路，可使GTR導(dǎo)通時(shí)處于臨界飽和狀態(tài),。當(dāng)負(fù)載輕時(shí),，如果V5的發(fā)射極電流全部注入V，會(huì)使V過(guò)飽和,，關(guān)斷時(shí)退飽和時(shí)間延長(zhǎng),。有了貝克電路后,，當(dāng)V過(guò)飽和使得集電極電位低于基極電位時(shí)，VD2就會(huì)自動(dòng)導(dǎo)通,，使得多余的驅(qū)動(dòng)電流流入集電極,，維持Ubc≈0。這樣,，就使得V導(dǎo)通時(shí)始終處于臨界飽和,。圖中的C2為加速開(kāi)通過(guò)程的電容，開(kāi)通時(shí),，R5被C2短路,。這樣就可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的過(guò)沖，同時(shí)增加前沿的陡度,，加快開(kāi)通,。另外，在V5導(dǎo)通時(shí)C2充電,，充電的極性為左正右負(fù),，為GTR的關(guān)斷做做準(zhǔn)備。當(dāng)V5截止V6導(dǎo)通時(shí),，C2上的充電電壓為V管的發(fā)射結(jié)施加反電壓,，從而GTR迅速關(guān)斷。

②GTR集成驅(qū)動(dòng)電路種類(lèi)很多,，下面簡(jiǎn)單介紹幾種情況：　　HL202是國(guó)產(chǎn)雙列直插,、20引腳GTR集成驅(qū)動(dòng)電路，內(nèi)有微分變壓器實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離,，貝克箝位退飽和,、負(fù)電源欠壓保護(hù)。工作電源電壓+8~+10V和-5.5V~ -7V,，最大輸出電流大于2.5A,，可以驅(qū)動(dòng)100A以下GTR?！　AA4003是雙列直插,、16引腳GTR集成驅(qū)動(dòng)電路，可以對(duì)被驅(qū)動(dòng)的GTR實(shí)現(xiàn)最優(yōu)驅(qū)動(dòng)和完善保護(hù),，保證GTR運(yùn)行于臨界飽和的理想狀態(tài),，自身具有PWM脈沖形成單元，特別適用于直流斬波器系統(tǒng),?！　57215BL是雙列直插、8引腳GTR集成驅(qū)動(dòng)電路，單電源自生負(fù)偏壓工作,，可以驅(qū)動(dòng)50A,，1000V以下的GTR模塊一個(gè)單元;外加功率放大可以驅(qū)動(dòng)75~400A以上GTR模塊。

2,、 GTR的保護(hù)電路　　GTR的保護(hù)電路應(yīng)包括對(duì)器件的過(guò)電壓保護(hù),、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù),、安全區(qū)外運(yùn)行狀態(tài)保護(hù)以及過(guò)大的di/dt和du/dt的保護(hù),。為防止GTR的損壞，這些保護(hù)必須快速動(dòng)作,，而且這些保護(hù)都是在準(zhǔn)確檢測(cè)的基礎(chǔ)上完成,。過(guò)壓、過(guò)熱保護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單,，可以利用壓敏電阻,、熱敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。而對(duì)du/dt和di/dt限制保護(hù),，可通過(guò)緩沖電路來(lái)實(shí)現(xiàn);過(guò)電流保護(hù)可根據(jù)基極或集電極電壓特性來(lái)實(shí)現(xiàn),。下面介紹這2種保護(hù)電路的監(jiān)測(cè)及工作原理?！　∵^(guò)電流的出現(xiàn)是由于GTR處于過(guò)載或短路故障而引起的,，此時(shí)隨著集電極電流的急劇增加，其基極電壓UBE和集電極電壓UCE均發(fā)生相應(yīng)變化,。在基極電流和結(jié)溫一定時(shí),，UBE隨IC正比變化，監(jiān)測(cè)UBE再與給定的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較,，就可發(fā)出切除驅(qū)動(dòng)基極信號(hào)的命令,，實(shí)現(xiàn)過(guò)載和過(guò)流保護(hù)。與此類(lèi)似,，利用UCE也可達(dá)到過(guò)流保護(hù)的目的。但UCE的變化比UBE緩慢,，且受溫度影響較大,。　　由于UBE隨IC的變化比UCE的變化快,，因此監(jiān)測(cè)UBE適于短路過(guò)流保護(hù),，而監(jiān)測(cè)UCE適用過(guò)載保護(hù)。過(guò)流保護(hù)的基極電壓特性和電壓監(jiān)測(cè)電路,，如圖6所示,。

　　由圖6(a)明顯看出，GTR的電壓UBE隨著IC正比變化,。圖6(b)電路隨時(shí)監(jiān)測(cè)UBE的變化,，同時(shí)與基準(zhǔn)電壓值UR進(jìn)行比較,。在正常情況下，UBE< SPAN>R,，比較器輸出低電平保證驅(qū)動(dòng)管V和GTR導(dǎo)通,。當(dāng)主電路發(fā)生短路時(shí)，UBE線性上升,，一旦UBE>UR,，比較器立即輸出高電平使驅(qū)動(dòng)管截止,，迅速關(guān)斷已經(jīng)短路過(guò)流的GTR,，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)?！　∵^(guò)載保護(hù)的集電極電壓特性和電壓監(jiān)測(cè)電路,，如圖7所示,。由圖7(a)可見(jiàn)，GTR工作在飽和區(qū)和準(zhǔn)飽和區(qū)時(shí),，UCE一般在0.8~2V之間,。當(dāng)負(fù)載過(guò)流或由于基極驅(qū)動(dòng)電流不足時(shí)，均引起GTR退出飽和區(qū)進(jìn)入線性放大區(qū),，致使UCE迅速增大,，功耗猛增使器件燒毀。圖7(b)電路隨時(shí)監(jiān)測(cè)UCE的變化,，當(dāng)UCE>UR時(shí),，保護(hù)電路動(dòng)作使GTR關(guān)斷。電路中電容C起加速?gòu)?qiáng)制開(kāi)通作用,。