電力晶體管的原理和特點(diǎn)是什么?

電力晶體管的原理和特點(diǎn)是什么?

結(jié)構(gòu)
電力晶體管(GiantTransistor)簡稱GTR，結(jié)構(gòu)和工作原理都和小功率晶體管非常相似。GTR由三層半導(dǎo)體、兩個(gè)PN結(jié)組成。和小功率三極管一樣，有PNP和NPN兩種類型，GTR通常多用NPN結(jié)構(gòu)。

工作原理

在電力電子技術(shù)中，GTR主要工作在開關(guān)狀態(tài)。GTR通常工作在正偏(Ib＞0)時(shí)大電流導(dǎo)通；反偏(Ib＜0＝時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)。因此，給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，它將工作于導(dǎo)通和截止的開關(guān)狀態(tài)。

0　引　言　　
　　大功率晶體管（GTR）是第二代功率半導(dǎo)體器件，它克服了晶閘管不能自關(guān)斷與開關(guān)速度慢的缺點(diǎn)，簡化了變頻傳動(dòng)和其它帶逆變環(huán)節(jié)的交流器的換相，降低了體積，且可節(jié)能，是電力電子裝置的關(guān)鍵器件，廣泛地應(yīng)用于載波器、穩(wěn)壓電源以及交直流電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域。然而GTR比較嬌嫩，容易損壞，不能承受超過其額定值的浪涌電壓與電流的沖擊，即使時(shí)間很短（微秒級(jí)）也可能對(duì)它造成損壞，用快速熔斷器或快速斷路器是不能對(duì)其保護(hù)的。
　　在電力電子裝置中，GTR實(shí)際上是一個(gè)靜止式的無觸點(diǎn)開關(guān)，它的通斷受基極驅(qū)動(dòng)電流的控制。作為開關(guān)器件，存在著開通時(shí)間t_on與關(guān)斷時(shí)間t_off，相應(yīng)地存在著開通損耗與關(guān)斷損耗。一般認(rèn)為，GTR損壞的主要原因之一是GTR退出了飽和區(qū)，進(jìn)入了放大區(qū)，使得開關(guān)損耗太大。減小GTR的開關(guān)損耗就是要提高工作頻率，降低結(jié)溫，擴(kuò)大安全工作區(qū)，提高性能指標(biāo)。
　　GTR應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)是如何成功地對(duì)GTR進(jìn)行保護(hù)，它直接決定著變頻器和逆變器質(zhì)量的優(yōu)劣。鑒于在主電路中通過設(shè)置霍爾元件檢測(cè)故障電流來實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，比在驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置自保護(hù)響應(yīng)慢些，一般是在驅(qū)動(dòng)電路中實(shí)現(xiàn)對(duì)GTR的自保護(hù)。因此，設(shè)計(jì)性能良好的驅(qū)動(dòng)電路是GTR安全可靠運(yùn)行的重要保障。

1　基極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原則
1．1　驅(qū)動(dòng)問題
　　驅(qū)動(dòng)的作用是使GTR可靠的開通與關(guān)斷，設(shè)計(jì)基極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)考慮采用基極優(yōu)化驅(qū)動(dòng)方案。所謂優(yōu)化驅(qū)動(dòng)，就是以理想的基極驅(qū)動(dòng)電流波形去控制GTR的開關(guān)過程，如圖1所示。
　　
　　從圖1可以看出，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)特性具有以下幾點(diǎn)品質(zhì)：
　　a．正向驅(qū)動(dòng)電流的上升沿要陡，要有一定時(shí)間的過驅(qū)動(dòng)電流I_b1，I_b1的數(shù)值選為準(zhǔn)飽和基極驅(qū)動(dòng)電流值I_b2的2倍左右，過驅(qū)動(dòng)時(shí)間為幾個(gè)μs，以使GTR迅速開通，減小t_on。
　　b．GTR被驅(qū)動(dòng)后，其基極驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)能自適應(yīng)負(fù)載參數(shù)的變化，只要GTR處于正常工作狀態(tài)下，基極驅(qū)動(dòng)電路提供的基極電流都能保障GTR處于臨界飽和狀態(tài)，以減小基極損耗，縮短存儲(chǔ)時(shí)間t_s。

　　c．關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路能為GTR基極—射極間提供一反向電流，以迅速抽取基區(qū)存儲(chǔ)電荷，減小t_off。關(guān)斷初始電流I_b3一般為I_b1的2～3倍，I_b3太22大則會(huì)產(chǎn)生基極電流的尾部效應(yīng)，反而增加關(guān)斷損耗，不利于GTR的關(guān)斷，使其反向安全工作區(qū)減小，一般為正向驅(qū)動(dòng)電流的2倍值或相等。由外施偏置形成此反向抽取電流時(shí)，其供電電壓必須限制在GTR的U_EBO以下，但要加足以防止GTR的反向?qū)щ姟?br>　　為了獲取上述優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)特性，我們常采用以下一些措施：
1．1．1　用加速電容以減小三極管的開通與關(guān)斷時(shí)間。如圖2為采用加速電容的驅(qū)動(dòng)電路原理圖。正向驅(qū)動(dòng)時(shí)，C將R₁短路，可以給GTR提供峰值較大的初始強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電流為：
　　??????????????????????????????????????????? （1）　　

　
　　隨著C充電的逐漸增加，驅(qū)動(dòng)電流i_B也越來越小，C充滿電時(shí)，GTR正常導(dǎo)通，此時(shí)，基極電流為：
　???????? 　I_B＝（E－U_BE）／（R₁＋R₂）（2）

　　上式I_B的值應(yīng)大于I_C／β，才能保證GTR處于飽和狀態(tài)，β為GTR的直流放大倍數(shù)。
　　電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，C上電壓值為：

? (3)
　　關(guān)斷時(shí)，利用C上的電壓值為GTR基—射間提供負(fù)壓，加速GTR截止。
1．1．2　利用貝克鉗位技術(shù)減小存儲(chǔ)時(shí)間t_s。如圖3是貝克鉗位技術(shù)電路圖。這種電路由2部分組成：第1部分包括溢流二極管D₁和電位抬高二極管D₂。正向驅(qū)動(dòng)時(shí)，基極電流流經(jīng)二極管D₂，設(shè)D₂的正向壓降等于U_F，則圖中A點(diǎn)電位U_A關(guān)斷及溢流二極管D₁承受的電壓U_D1分別為：
???????????????????? U_A＝U_F＋U_BE（4）

???????????????? U_D1＝U_A－U_CE＝U_F＋U_BE－U_CB（5）

　　在GTR的放大區(qū)，集電極電壓U_CE很高，U_D1為負(fù)，二極管D₁不工作，當(dāng)GTR進(jìn)入臨界飽和區(qū)，則：

　　U_BE＝U_CE（6）
由式（6）可知：
　　U_D1＝U_F（7）
　　若二極管D₁的正向壓降也等于U_F，則此時(shí)二極管D₁導(dǎo)通，多余的基極電流通過D₁溢流，從而使GTR始終工作在臨界飽和區(qū)。
　　第2部分為二極管D₃，由于接入了二極管D₂，必須同時(shí)并聯(lián)二極管D₃，它為反向基極電流提供通道。
　　在GTR的基極上多串幾個(gè)電位抬高二極管可以使GTR工作在放大狀態(tài)，進(jìn)一步改善儲(chǔ)存時(shí)間。但是儲(chǔ)存時(shí)間的改善是以增加通態(tài)損耗為代價(jià)的，增加了的U_CE使通態(tài)損耗變大。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在儲(chǔ)存時(shí)間t_s的改善與功率耗散間折衷考慮，還應(yīng)注意到儲(chǔ)存時(shí)間的改善與U_CE的大小并非成正比，當(dāng)U_CE增加到一定程度后，儲(chǔ)存時(shí)間隨U_CE的增高減小很少。試驗(yàn)表明，U_CE＞4 V時(shí)，儲(chǔ)存時(shí)間改善很少，而當(dāng)U_CE＞8 V時(shí)，幾乎看不到儲(chǔ)存時(shí)間的改變。

　　這個(gè)電路的缺點(diǎn)是：由于引入了電位抬高二極管，B點(diǎn)信號(hào)與A點(diǎn)相比有一定的延時(shí)。改進(jìn)后的貝克鉗位電路如圖4所示。圖4中T₁，T₂是驅(qū)動(dòng)電路的功放級(jí)，由于它們工作在射極輸出狀態(tài)，使從A點(diǎn)到B點(diǎn)的信號(hào)失真很少，也保障了足夠大的驅(qū)動(dòng)電流。與此同時(shí)，T₁的基射壓降將A點(diǎn)電位抬高，代替了圖3中二極管D₂的作用，它與溢流二極管D₁協(xié)同使GTR工作在臨界飽和狀態(tài)，反向抽取基極電流流過T₂。
　　從上述分析可知，這2種電路具有減少t_s，降低GTR基極損耗的優(yōu)點(diǎn)。貝克鉗位電路僅利用了二極管這一電子元件給GTR的開關(guān)性能帶來了許多改善，二極管的合理選取，關(guān)系到貝克鉗位電路能否正常工作，以下是供電路設(shè)計(jì)者參考的準(zhǔn)則：
　　　

　
　　a．D₁由于它接在GTR的集電極，因此必須選取耐高壓二極管，它的電壓額定值至少與GTR的U_CEO、U_CER額定值相等。否則，當(dāng)GTR關(guān)斷時(shí)，D₁阻斷不了主電路電壓，造成D₁擊穿，把高壓引入驅(qū)動(dòng)電路而造成對(duì)驅(qū)動(dòng)板的損害。對(duì)圖3所示的接法，要求D₁的電流額定值與全部基極驅(qū)動(dòng)電流相等，以免GTR負(fù)載小時(shí)，由于D₁過熱而導(dǎo)致運(yùn)行失效；對(duì)圖4所示的電路，D₁的額定值應(yīng)大于或等于T₁的最大基極電流，它必須是快恢復(fù)二極管（200 ns或更?。?，最好為GTR關(guān)斷時(shí)間t_off的1／10，因?yàn)樵贒₁的反向恢復(fù)時(shí)間t_rr內(nèi)，電流從GTR集電極流向基極或驅(qū)動(dòng)電路中，可能會(huì)使GTR誤導(dǎo)通，而造成i_c出現(xiàn)振蕩波形，此恢復(fù)電流對(duì)基極驅(qū)動(dòng)電路的元件也是有害的。
　　b．D₂應(yīng)為低壓元件，電壓額定值只要與基極驅(qū)動(dòng)源電壓相等就可以了。如用高壓元件，其速度比低壓管慢得多，妨礙了GTR的快速導(dǎo)通，其基極電流額定值應(yīng)與基極驅(qū)動(dòng)電流相等。GTR反向關(guān)斷時(shí)，在D₂的反向恢復(fù)時(shí)間t_rr內(nèi)，可以為GTR反向抽取電流提供一條通路。因此，D₂的反向恢復(fù)電流可以加速GTR關(guān)斷，故不必選用快恢復(fù)二極管。
　　c．D₃的作用是為反向基極電流提供一條通道，它只在晶體管儲(chǔ)存時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通。在實(shí)際應(yīng)用中，由于儲(chǔ)存時(shí)間比正向基極電流的脈寬要小得多，所以其電流額定值可以比D₂小很多。
1．2　隔離問題
　　隔離是使脈沖形成部分與脈沖功能部分無電的聯(lián)系。在電路中主要有2方面的作用：a．可以減小對(duì)控制信號(hào)的干擾；b．主電路或驅(qū)動(dòng)電路故障不會(huì)造成控制電路的損壞。常用的隔離器件有光電耦合器、變壓器等。
??? 由于光電耦合器具有體積小、價(jià)格低、靈敏度高、隔離度高的特點(diǎn)，所以是GTR驅(qū)動(dòng)器隔離級(jí)的理想器件。電信號(hào)的傳遞是通過光束來進(jìn)行耦合的，所以光電耦合器件的輸出端對(duì)輸入端無反饋影響，而且頻帶寬、失真小，又很容易地將2個(gè)不同電位的電路系統(tǒng)聯(lián)系起來。驅(qū)動(dòng)電路中光電耦合器的選取應(yīng)遵從以下2個(gè)原則：
　　a．光電耦合器應(yīng)當(dāng)選用高速型光耦，用普通型光耦響應(yīng)速度相對(duì)慢，關(guān)斷時(shí)間一般為5～10μs，在信號(hào)傳輸上就產(chǎn)生了一個(gè)延時(shí)，而且可能出現(xiàn)開通與關(guān)斷延遲時(shí)間不等的現(xiàn)象。因此在橋式逆變電路中，會(huì)使同一橋臂上下2個(gè)GTR關(guān)斷時(shí)間（封鎖時(shí)間）得不到保證。
　　b．由于光耦的寄生分布電容的影響，在高的共模電平下，會(huì)使光耦輸出一個(gè)窄脈沖，這個(gè)窄脈沖有可能使GTR組成橋式電路運(yùn)行時(shí)發(fā)生直通現(xiàn)象。一般的解決措施是加惰性抗干擾電路把窄脈沖吃掉，但由此帶來的影響是使隔離級(jí)速度變慢，因此，必須選擇抗干擾能力強(qiáng)的光耦。
1．3　保護(hù)問題
　　GTR能通過的最大電流比額定電流高不了多少，因此，對(duì)GTR的保護(hù)就成了應(yīng)用的難題，GTR的保護(hù)一般是在驅(qū)動(dòng)電路中實(shí)現(xiàn)對(duì)GTR的自保護(hù)。其保護(hù)電路的形式依賴于逆變器是電壓源供電還是電流源供電。電流源逆變器易于實(shí)現(xiàn)負(fù)載短路保護(hù)，如發(fā)生短路現(xiàn)象時(shí)，可將所有晶體管開通，以最大限度地發(fā)揮電流承受能力，并且把可控整流橋拉入逆變，使存儲(chǔ)在電感中的能量逆變回電網(wǎng)；實(shí)現(xiàn)開路保護(hù)則很困難，必須設(shè)置電壓鉗位電路以限制dv／dt，并使尖峰電壓值小于晶體管的擊穿電壓。電壓型逆變器實(shí)現(xiàn)開路保護(hù)容易，實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)難度大些，一般是利用GTR可自關(guān)斷的特點(diǎn)，故障一旦檢出，就迅速關(guān)斷GTR器件。
一般認(rèn)為GTR損壞的主要原因有：
　　a．瞬態(tài)過壓。由于感性負(fù)載或布線電感的影響，GTR關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電壓尖峰。瞬態(tài)過壓是GTR二次擊穿手主要原因，它的防護(hù)一般是給GTR并一RC或RCD網(wǎng)絡(luò)，消除峰值電壓，改善GTR開關(guān)工作條件。
　　b．過流。流過GTR的電流超過最大允許電流I_CM時(shí)，可能會(huì)使電極引線過熱而燒斷，或使結(jié)溫過高而損壞。檢測(cè)過流信號(hào)是技術(shù)難點(diǎn)，檢測(cè)到過流信號(hào)后，通常是關(guān)閉GTR的基極電流，利用GTR42的自關(guān)斷能力切斷電路。
　　c．退飽和。GTR的電路中工作在準(zhǔn)飽和狀態(tài)，但也可因外部電路條件的變化，使它退出了飽和區(qū)，進(jìn)入了放大區(qū)，使得集電極耗散功率增大。
　　退飽和與過流是2種不同現(xiàn)象。我們知道，GTR飽和的條件是I_B≥I_C／β。因此，即使I_C沒達(dá)到過流整定值，若I_B減小或β減小，也會(huì)產(chǎn)生退飽和現(xiàn)象。
　　退飽和保護(hù)與過流保護(hù)相似。即在故障發(fā)生時(shí)，利用GTR的自關(guān)斷能力切斷電路。在一定條件下，退飽和保護(hù)可以取代過流保護(hù)。條件是退飽和保護(hù)比過流保護(hù)先動(dòng)作。
　　在驅(qū)動(dòng)電路中實(shí)現(xiàn)退飽和保護(hù)，依據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同，可分為U_BE監(jiān)測(cè)法或U_CE監(jiān)測(cè)法，原理相同，都是利用i_c升高時(shí)，U_BE和U_CE都會(huì)升高這一特點(diǎn)，若其超過U_BE或U_CE設(shè)定值就自動(dòng)關(guān)斷GTR驅(qū)動(dòng)電路。由于U_BE變化不如U_CE變化敏感，工業(yè)上一般采用U_CE監(jiān)測(cè)法對(duì)GTR進(jìn)行保護(hù)。

2　GTR退飽和保護(hù)電路應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問題
2．1　設(shè)置合適的啟動(dòng)脈沖寬度
　　采用U_CE監(jiān)測(cè)法的自保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路，都存在一個(gè)保護(hù)死區(qū)，即在GTR啟動(dòng)脈沖區(qū)段。開啟時(shí)，U_CE很高，保護(hù)電路不能打開，否則，就不能正常驅(qū)動(dòng)GTR，只有等到GTR充分導(dǎo)通后才能打開保護(hù)電路。因此，當(dāng)逆變橋輸出口長時(shí)間短路時(shí)，GTR則會(huì)受到啟動(dòng)脈沖區(qū)段內(nèi)的短路電流沖擊。該電路能否對(duì)GTR實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，就取決于此時(shí)死區(qū)功率損耗是否超過了GTR的承受能力。
　　GTR存在一個(gè)安全工作區(qū)（ASO），在脈沖工作狀態(tài)下，ASO有所擴(kuò)展，脈沖寬度越窄，ASO區(qū)域就越大。理論上，啟動(dòng)脈沖寬度最好為GTR出廠時(shí)標(biāo)稱最小導(dǎo)通時(shí)間t_on，但由于管子參數(shù)差異和驅(qū)動(dòng)條件的不同，一般啟動(dòng)脈沖寬度應(yīng)大于t_on，啟動(dòng)脈沖寬度由試驗(yàn)決定，調(diào)整到GTR恰好導(dǎo)通時(shí)的最短時(shí)間。同時(shí)在主電路中應(yīng)增設(shè)其它一些輔助保護(hù)措施，當(dāng)GTR逆變器啟動(dòng)階段短路時(shí)，就封鎖驅(qū)動(dòng)電路，防止保護(hù)死區(qū)內(nèi)長時(shí)間短路電流沖擊。
2．2　整定GTR退飽和時(shí)合適的U_CE設(shè)定值
　　從GTR的輸出特性可知，由于外電路條件的不同，GTR可有3種工作狀態(tài)：截止、飽和與放大。作為開關(guān)器件的GTR，在電路中只能處于截止或飽和狀態(tài)。為了提高電路的工作頻率，GTR一般應(yīng)工作于準(zhǔn)飽和狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電路中采用貝克鉗位電路后，GTR不會(huì)工作于深飽和狀態(tài)下；GTR也不能工作于放大區(qū)。因此，GTR在應(yīng)用時(shí)，必須先了解它的放大倍數(shù)β，正確估算基極驅(qū)動(dòng)電流I_b，避免I_b不足而使GTR過早進(jìn)入放大區(qū)，如點(diǎn)C；避免I_b過大而增加驅(qū)動(dòng)電路元件定額（參見圖5）。
　　U_CE不能設(shè)置過低，避免GTR仍在準(zhǔn)飽和區(qū)內(nèi)運(yùn)行就關(guān)斷了驅(qū)動(dòng)電路，沒有充分利用GTR的定額，如點(diǎn)A；而設(shè)置過高，則GTR已經(jīng)飽和區(qū)，而退飽和區(qū)保護(hù)沒有動(dòng)作，易造成GTR的損壞，如點(diǎn)B。U_CE的大小可根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法確定。一般而言，U_CE取3～5 V是比較合適的。
2．3　提高抗干擾能力
　　在橋式電路中，布線電感對(duì)逆變器的干擾很大，常常使逆變器不能工作，可采取以下2點(diǎn)措施：
??? a．加大直流側(cè)濾波電容。

??? b．減短導(dǎo)線長度，盡量平和走線，把電流一進(jìn)一出的導(dǎo)線絞在一起。