電力晶體管gtr簡(jiǎn)介

　　電力晶體管是一種雙極型大功率高反壓晶體管，由于其功率非常大，所以，它又被稱作為巨型晶體管，簡(jiǎn)稱GTR。GTR是由三層半導(dǎo)體材料兩個(gè)PN結(jié)組成的，三層半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)形式可以是PNP，也可以是NPN。大多數(shù)雙極型功率晶體管是在重?fù)劫|(zhì)的N+硅襯底上，用外延生長(zhǎng)法在N+上生長(zhǎng)一層N漂移層，然后在漂移層上擴(kuò)散P基區(qū)，接著擴(kuò)散N+發(fā)射區(qū)，因之稱為三重?cái)U(kuò)散。基極與發(fā)射極在一個(gè)平面上做成叉指型以減少電流集中和提高器件電流處理能力。

　　GTR分為NPN型和PNP型兩類，又有單管GTR、達(dá)林頓式GTR（復(fù)合管）和GTR模塊幾種形式。

　　單管GTR飽和壓降VCES低，開關(guān)速度稍快，但是電流增益β小，電流容量小，驅(qū)動(dòng)功率大，用于較小容量的逆變電路。

　　達(dá)林頓式GTR電流增益β值大，電流容量大，驅(qū)動(dòng)功耗小，但飽和壓降VCES較高，關(guān)斷速度較慢。和單管GTR一樣，達(dá)林頓式非模塊化的GTR在現(xiàn)代逆變電路中早已不太常用。應(yīng)用比較廣泛的還是GTR模塊。它是將兩只或4只、6只、甚至7只單管GTR或達(dá)林頓式GTR的管芯封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，分別組成單橋臂、單相橋、三相橋和帶泄放管的三相橋形式，外殼絕緣，便于設(shè)計(jì)和安裝。

　　在逆變電路中，GTR都工作在共發(fā)射極狀態(tài)，其輸出特性曲線是指集電極電流IC和電壓VCE以及基極電流IB之間的關(guān)系。

　　電力晶體管gtr的參數(shù)

　　（1）開路阻斷電壓UCEO：基極開路時(shí)，集電極一發(fā)射極間能承受的電壓值。

　　（2）集電極最大持續(xù)電流ICM：當(dāng)基極正向偏置時(shí)，集電極能流入的最大電流。

　　（3）電流增益hFE：集電極電流與基極電流的比值稱為電流增益，也叫電流放大倍數(shù)或電流傳輸比。

　　（4）集電極最大耗散功率PCM：指GTR在最高允許結(jié)溫時(shí)所消耗的功率，它受結(jié)溫限制，其大小由集電結(jié)工作電壓和集電極電流的乘積決定。

　　（5）開通時(shí)間ton：包括延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr。

　　（6）關(guān)斷時(shí)間toff：包括存儲(chǔ)時(shí)間ts和下降時(shí)間tf。

　　電力晶體管特點(diǎn)

　　l、輸出電壓

　　可以采用脈寬調(diào)制方式，故輸出電壓為幅值等于直流電壓的強(qiáng)脈沖序列。

　　2、載波頻率

　　由于電力晶體管的開通和關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，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?yàn)檩d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?yàn)檩d波頻率處于人耳對(duì)聲音較為敏感的區(qū)域，故電動(dòng)機(jī)的電磁噪音較強(qiáng)。

　　4、輸出轉(zhuǎn)矩

　　因?yàn)殡娏髦懈叽沃C波的成分較大，故在50Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩與工頻運(yùn)行時(shí)相比，略有減小。

　　電力晶體管gtr的特性及應(yīng)用

　　GTR的特性曲線分5個(gè)區(qū)。I區(qū)為截止區(qū)，IB=0，IC很小，為CE漏電流。II區(qū)為線性放大區(qū)，當(dāng)IB增加時(shí)，IC也跟隨IB線性增加。隨著VCE繼續(xù)降低，IC已沒(méi)有增長(zhǎng)能力，這就進(jìn)入了深度飽和區(qū)，即第IV區(qū)。這時(shí)的VCE稱為GTR的飽和壓降，用VCES表示，它比GTO和VMOSFET要低。V區(qū)為擊穿區(qū)，

　　當(dāng)VCE增加到一定值時(shí)，即使IB不增加，IC也會(huì)增加，這時(shí)的VCE就是GTR的一次擊穿電壓。如果VCE繼續(xù)增加，IC也增加，由于GTR具有負(fù)阻特性，當(dāng)結(jié)溫上升時(shí)，IC更大。由于整個(gè)管芯的導(dǎo)電不可能絕對(duì)均勻，大的IC會(huì)產(chǎn)生集中熱點(diǎn)，從而發(fā)生雪崩擊穿，IC驟增。這時(shí)候，即使降低VCE也無(wú)濟(jì)于事，高速增長(zhǎng)的熱量無(wú)法散出，在很短時(shí)間內(nèi)（幾微秒甚至幾納秒）便使GTR被永遠(yuǎn)地?zé)龎摹＿@就是GTR的二次擊穿現(xiàn)象，它是GTR最致命的弱點(diǎn)，也是限制GTR發(fā)展和進(jìn)一步推廣應(yīng)用的最重要的原因之一。

　　電力晶體管GTR大多作功率開關(guān)使用，所以，要求它要有足夠的容量（高電壓、大電流）、適當(dāng)?shù)脑鲆妗⑤^高的工作速度和較低的功率損耗等。但由于電力晶體管的功率損耗大、工作電流大，因此它存在著諸如基區(qū)大注入效應(yīng)、基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)和發(fā)射極電流集邊效應(yīng)等特點(diǎn)和問(wèn)題。

　　基區(qū)大注入效應(yīng)是指基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度達(dá)到或超過(guò)摻雜濃度時(shí)，器件的注入效率降低，少數(shù)載流子擴(kuò)散系數(shù)變大，體內(nèi)少數(shù)載流子壽命下降，以致嚴(yán)重影響GTR的電流增益的現(xiàn)象。

　　基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)是指在大電流條件下有效基區(qū)變寬的效應(yīng)。器件在小電流狀態(tài)工作時(shí)的集電結(jié)寬度主要由基區(qū)摻雜濃度決定，因此其增益β值是固定的；但在大電流條件下，由于基區(qū)中少數(shù)載流子大量增加造成集電結(jié)寬度收縮，因而，使有效基區(qū)變寬。基區(qū)的擴(kuò)展導(dǎo)致注入效率降低，增益β下降、特征頻率減小。

　　發(fā)射極電流集邊效應(yīng)也稱為基極電阻自偏壓效應(yīng)，是由于在大多數(shù)情況下電流條件下，基區(qū)的橫向壓降使得發(fā)射極電流分配不均勻所造成的。在這種情況下，電流的分布較多地集中在靠近基極的發(fā)射極周邊上，引起電流的局部集中，進(jìn)而導(dǎo)致局部過(guò)熱。

　　所以，為了削弱上述三種物理效應(yīng)的影響，必須在結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)?shù)拇胧┮员ＷC適合大功率應(yīng)用的需要。

　　電力晶體管GTR的開關(guān)特性詳解

　　晶體管有線性和開關(guān)兩種工作方式。當(dāng)只需要導(dǎo)通和關(guān)斷作用時(shí)采用開關(guān)工作方式。GTR主要應(yīng)用于開關(guān)工作方。

　　① 開關(guān)響應(yīng)特性

　　開關(guān)工作方式下，用一定的正向基極電流IB1去驅(qū)動(dòng)GTR導(dǎo)通，而用另一反向基極電流IB2迫使GTR關(guān)斷，由于GTR不是理想開關(guān)，故在開關(guān)過(guò)程中總存在著一定的延時(shí)和存儲(chǔ)時(shí)間。

　　延遲時(shí)間td：加入IB1以后一段時(shí)間里，iC仍保持為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的很小電流直到iC上升到0.1I CS。

　　上升時(shí)間tr：iC不斷上升，直到iC=ICS， GTR進(jìn)入飽和狀態(tài)。tr指iC從0.1ICS上升到0.9ICS所需要的時(shí)間。 開通時(shí)間ton：延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr之和。即ton=td+tr

　　當(dāng)基極電流突然從正向IB1變?yōu)榉聪騃B2時(shí)，GTR的集電極電流iC并不立即減小，仍保持ICS，而要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才下降。

　　存儲(chǔ)時(shí)間ts：把基極電流從正向IB1變?yōu)榉聪騃B2時(shí)，iC下降到0.9ICS所需的時(shí)間。

　　下降時(shí)間tf：iC繼續(xù)下降，iC從0.9ICS下降到0.1ICS所需的時(shí)間。

　　此后，iC繼續(xù)下降，一直到接近反向飽和電流為止，這時(shí)GTR完全恢復(fù)到截止?fàn)顟B(tài)。

　　GTR的關(guān)斷時(shí)間toff：存儲(chǔ)時(shí)間ts和下降時(shí)間tf之和，即

　　toff=ts+tf

　　GTR的開關(guān)時(shí)間對(duì)它的應(yīng)用有較大的影響，選用GTR時(shí)，應(yīng)注意其開關(guān)頻率。應(yīng)使輸入脈沖持續(xù)時(shí)間大于GTR開關(guān)時(shí)間。

　　改善措施

　　為了使GTR快速導(dǎo)通，縮短開通時(shí)間ton，驅(qū)動(dòng)電流必須具有一定幅值，前沿較陡的正向驅(qū)動(dòng)電流，可加速GTR的導(dǎo)通；為加速GTR關(guān)斷，縮短關(guān)斷時(shí)間toff，驅(qū)動(dòng)電流必須具有一定幅值的反向驅(qū)動(dòng)電流，過(guò)沖的負(fù)向驅(qū)動(dòng)電流，可縮短關(guān)斷時(shí)間。