電力晶體管gtr簡介

　　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，簡稱GTR。GTR是由三層半導(dǎo)體材料兩個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摻質(zhì)的N+硅襯底上，用外延生長法在N+上生長一層N漂移層，然后在漂移層上擴散P基區(qū)，接著擴散N+發(fā)射區(qū)，因之稱為三重擴散。基極與發(fā)射極在一個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)動功率大，用于較小容量的逆變電路。

　　達林頓式GTR電流增益β值大，電流容量大，驅(qū)動功耗小，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或達林頓式GTR的管芯封裝在一個管殼內(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，集電極一發(fā)射極間能承受的電壓值。

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

　?。?）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。

　?。?）集電極最大耗散功率PCM：指GTR在最高允許結(jié)溫時所消耗的功率，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。

　?。?）開通時間ton：包括延遲時間td和上升時間tr。

　?。?）關(guān)斷時間toff：包括存儲時間ts和下降時間tf。

　　電力晶體管特點

　　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脈沖序列。

　　2、載波頻率

　　由于電力晶體管的開通和關(guān)斷時間較長，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

　　因為載波頻率較低，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，并產(chǎn)生噪音。又因為載波頻率處于人耳對聲音較為敏感的區(qū)域，故電動機的電磁噪音較強。

　　4、輸出轉(zhuǎn)矩

　　因為電流中高次諧波的成分較大，故在50Hz時，電動機軸上的輸出轉(zhuǎn)矩與工頻運行時相比，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IB增加時，IC也跟隨IB線性增加。隨著VCE繼續(xù)降低，IC已沒有增長能力，這就進入了深度飽和區(qū)，即第IV區(qū)。這時的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VCE增加到一定值時，即使IB不增加，IC也會增加，這時的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具有負阻特性，當結(jié)溫上升時，IC更大。由于整個管芯的導(dǎo)電不可能絕對均勻，大的IC會產(chǎn)生集中熱點，從而發(fā)生雪崩擊穿，IC驟增。這時候，即使降低VCE也無濟于事，高速增長的熱量無法散出，在很短時間內(nèi)（幾微秒甚至幾納秒）便使GTR被永遠地燒壞。這就是GTR的二次擊穿現(xiàn)象，它是GTR最致命的弱點，也是限制GTR發(fā)展和進一步推廣應(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?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)擴展效應(yīng)和發(fā)射極電流集邊效應(yīng)等特點和問題。

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

　　基區(qū)擴展效應(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?；鶇^(qū)的擴展導(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，進而導(dǎo)致局部過熱。

　　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?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。當只需要導(dǎo)通和關(guān)斷作用時采用開關(guān)工作方式。GTR主要應(yīng)用于開關(guān)工作方。

　?、?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)過程中總存在著一定的延時和存儲時間。

　　延遲時間td：加入IB1以后一段時間里，iC仍保持為截止狀態(tài)時的很小電流直到iC上升到0.1I CS。

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

　　當基極電流突然從正向IB1變?yōu)榉聪騃B2時，GTR的集電極電流iC并不立即減小，仍保持ICS，而要經(jīng)過一段時間才下降。

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

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

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

　　GTR的關(guān)斷時間toff：存儲時間ts和下降時間tf之和，即

　　toff=ts+tf

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

　　改善措施

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