半导体器件：电力晶体管是什么？特点原理分析-KIA MOS管

电力晶体管

电力晶(jing)(jing)体管(guan)按英文Giant Transistor——GTR，是一(yi)种耐(nai)高(gao)电压、大电流的双极(ji)(ji)结型(xing)晶(jing)(jing)体管(guan)（Bipolar Junction Transistor—BJT），所以有时也(ye)称为Power BJT；但其(qi)驱动电路复杂，驱动功率大；GTR和普通(tong)双极(ji)(ji)结型(xing)晶(jing)(jing)体管(guan)的工作原(yuan)理(li)是一(yi)样的。

GTR是一种电(dian)流(liu)控(kong)制的双极双结大功率、高反压电(dian)力电(dian)子(zi)器件(jian)，具有自(zi)关断(duan)能(neng)力,产生于上(shang)个世纪70年代，其额(e)定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。

它既具备晶体管(guan)饱和压降(jiang)低(di)、开关(guan)时(shi)间短(duan)和安全工作(zuo)区宽等(deng)(deng)固有特性，又(you)增大了(le)功率容量，因(yin)此，由(you)它所组(zu)成的电(dian)路灵活、成熟、开关(guan)损耗小、开关(guan)时(shi)间短(duan)，在电(dian)源、电(dian)机(ji)控制、通(tong)用逆变器等(deng)(deng)中(zhong)等(deng)(deng)容量、中(zhong)等(deng)(deng)频率的电(dian)路中(zhong)应用广泛(fan)。

GTR的缺点是驱(qu)动电流较(jiao)大、耐浪涌电流能(neng)力差、易(yi)受(shou)二次(ci)击穿而(er)损(sun)坏。在开(kai)关电源和UPS内，GTR正逐步(bu)被功(gong)率(lv)MOSFET和IGBT所代替。它的符号,和普通(tong)的NPN晶体(ti)管一样。

电力晶体管结构

电力(li)晶体管(Giant Transistor)简(jian)称(cheng)GTR又称(cheng)BJT（Bipolar Junction Transistor），GTR和(he)BJT这(zhei)两个(ge)名(ming)称(cheng)是等效(xiao)的，结构和(he)工(gong)作(zuo)原(yuan)理都和(he)小功率晶体管非常相似。

GTR由(you)三层半导体(ti)、两个PN结(jie)组成(cheng)。和小功(gong)率三极管一样，有PNP和NPN两种类型(xing)，GTR通常多用(yong)NPN结(jie)构(gou)。

工作原理

在电(dian)力(li)电(dian)子技术中，GTR主要工作在开关(guan)状(zhuang)态(tai)。GTR通(tong)常(chang)工作在正(zheng)偏(Ib>0)时大电(dian)流导通(tong)；反偏(Ib<0=时处(chu)于截(jie)止(zhi)状(zhuang)态(tai)。因此，给GTR的基极施加(jia)幅度足够大的脉冲(chong)驱动信号，它将工作于导通(tong)和截(jie)止(zhi)的开关(guan)状(zhuang)态(tai)。

特点

1.输出电压

可以采用脉(mai)宽调制方式(shi)，故输出电压(ya)为幅值等(deng)于直流电压(ya)的强脉(mai)冲序列。

2.载波频率

由(you)于电力晶体(ti)管的(de)开通(tong)和关断时(shi)间较(jiao)(jiao)长，故(gu)允(yun)许的(de)载波频率较(jiao)(jiao)低，大部分变频器的(de)上限(xian)载波频率约(yue)为1.2～1.5kHz左右。

3.电流波形

因为载波频(pin)率较低，故电流(liu)(liu)的高次谐波成(cheng)分较大(da)。这些高次谐波电流(liu)(liu)将在硅钢片中形成(cheng)涡流(liu)(liu)，并(bing)使硅钢片相互间(jian)因产生电磁力而振(zhen)动，并(bing)产生噪(zao)音。又(you)因为载波频(pin)率处于人耳对声音较为敏感的区域，故电动机的电磁噪(zao)音较强。

4.输(shu)出转矩

因(yin)为电流中(zhong)高次谐波的成分较大，故在50Hz时，电动机轴(zhou)上(shang)的输出转矩与工(gong)频运行时相比(bi)，略有减小。

基本特性

(1)静态(tai)特性

共发射极接法时(shi)可分(fen)为三(san)个工作区：

① 截止(zhi)区(qu)。在截止(zhi)区(qu)内，iB≤0，uBE≤0，uBC<0，集电极只有(you)漏(lou)电流流过(guo)。

② 放大区。iB >0，uBE>0，uBC<0，iC =βiB。

③ 饱和(he)区。iB >Ics/β，uBE>0，uBC>0，iCS是(shi)集电极饱和(he)电流(liu)，其(qi)值(zhi)由(you)外电路决定。

结论：两个PN结都(dou)为正向(xiang)偏置是(shi)饱(bao)和(he)的(de)特征。饱(bao)和(he)时，集电(dian)(dian)极、发射极间的(de)管压降uCE很小，相当(dang)于开关(guan)接通，这时尽管电(dian)(dian)流很大，但损(sun)耗并不大。

GTR刚进入饱(bao)(bao)(bao)和时为临界饱(bao)(bao)(bao)和，如iB继续增(zeng)加，则(ze)为过饱(bao)(bao)(bao)和，用作开(kai)关时，应(ying)工作在深度饱(bao)(bao)(bao)和状态(tai)，这(zhei)有利于(yu)降低uCE和减小导通时的损耗。

(2)动(dong)态(tai)特性

GTR共发(fa)射极接法的输出特性

半导体电力晶体管

图1GTR开关(guan)特性

GTR在(zai)(zai)关(guan)断(duan)时漏电流很(hen)小，导(dao)(dao)通(tong)时饱(bao)和压降很(hen)小。因此，GTR在(zai)(zai)导(dao)(dao)通(tong)和关(guan)断(duan)状态下(xia)损(sun)耗(hao)都很(hen)小，但在(zai)(zai)关(guan)断(duan)和导(dao)(dao)通(tong)的转换(huan)过程(cheng)中(zhong)，电流和电压都较(jiao)大(da)，所(suo)以开(kai)关(guan)过程(cheng)中(zhong)损(sun)耗(hao)也较(jiao)大(da)。

当开关(guan)频率(lv)较高(gao)(gao)时，开关(guan)损(sun)耗是(shi)总损(sun)耗的主要部分(fen)。因此，缩短开通和关(guan)断时间对降低损(sun)耗、提(ti)高(gao)(gao)效率(lv)和提(ti)高(gao)(gao)运行可靠性很有意义。

主要参数

(1)最高工作(zuo)电压

(2)集电(dian)(dian)极(ji)最大允许电(dian)(dian)流ICM

(3)集电极(ji)最大(da)允许耗散功(gong)率PCM

(4)最(zui)高工(gong)作结温TJM

二次(ci)击穿(chuan)和(he)安全工(gong)作区

(1)二次(ci)击(ji)穿

二(er)次击(ji)(ji)穿(chuan)是(shi)影(ying)响GTR安(an)全可靠工作(zuo)的一个重(zhong)要因素。当GTR的集电(dian)(dian)极电(dian)(dian)压(ya)(ya)升(sheng)高至击(ji)(ji)穿(chuan)电(dian)(dian)压(ya)(ya)时，集电(dian)(dian)极电(dian)(dian)流(liu)迅速增(zeng)大，这种首先出现(xian)的击(ji)(ji)穿(chuan)是(shi)雪崩击(ji)(ji)穿(chuan)，被称为一次击(ji)(ji)穿(chuan)。

出现一次击(ji)穿后，只要(yao)Ic不超过与(yu)最大运行耗散(san)功率相对应(ying)的(de)限度，GTR一般不会损坏，工(gong)作特性(xing)也不会有什么变(bian)化。

但是实际应用中常(chang)常(chang)发(fa)现(xian)一次击穿(chuan)发(fa)生时如不(bu)有(you)效地限制电(dian)流，Ic增大(da)到(dao)某个临(lin)界(jie)点时会(hui)突(tu)(tu)然急(ji)剧上升，同时伴随(sui)着电(dian)压的突(tu)(tu)然下(xia)降，这种(zhong)现(xian)象称为二(er)次击穿(chuan)。

防止(zhi)二(er)次击(ji)穿(chuan)的办(ban)法是：①应使实际使用的工作电压比反向击(ji)穿(chuan)电压低得多。②必须有电压电流缓冲保护(hu)措施。

(2)安全(quan)工作区

半导体电力晶体管

图(tu)2 GTR安全工作区

以(yi)直流极限参数ICM、PCM、UCEM构成的工作(zuo)区(qu)为(wei)一(yi)次击穿(chuan)(chuan)工作(zuo)区(qu)，以(yi)USB (二次击穿(chuan)(chuan)电压(ya))与ISB (二次击穿(chuan)(chuan)电流)组成的PSB (二次击穿(chuan)(chuan)功率)是一(yi)个不等(deng)功率曲线。

为了防止二(er)次击穿，要(yao)选(xuan)用足够大功率的GTR，实(shi)际使用的最高电(dian)压通(tong)常比GTR的极限(xian)电(dian)压低很多。

半导体电力晶体管