電力晶體管也叫電力雙極型晶體�(GTR)是一種耐高�、能承受大電流的雙極晶體�,也稱為BJT,它�晶閘�不同,具有線性放大特性,但在電力電子�(yīng)用中卻工作在開關(guān)狀�(tài),從而減小功耗。GTR可通過基極控制其開通和�(guān)�,是典型的自�(guān)斷器��
電力晶體管有與一般雙極型晶體管相似的�(jié)�(gòu)、工作原理和特�。它們都�3層半�(dǎo)��2個PN�(jié)的三端器件,有PNP和NPN�2種類�,但GTR多采用NPN�。GTR的結(jié)�(gòu)、電氣符號和基本工作原理,如�1所��
在應(yīng)用中,GTR一般采用共�(fā)射極接法,如�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稱為GTR的電流放大系�(shù),它反映出基極電流對集電極電流的控制能力。單管GTR的電流放大系�(shù)很小,通常�10左右�
在考慮集電極和�(fā)射極之間的漏電流��
i c=βi b+I c e o (2)
目前常用的電力晶體管的單�、達林頓管和模塊�3種類��
1� 單管電力晶體�
NPN三重擴散臺面型結(jié)�(gòu)是單管電力晶體管的典型結(jié)�(gòu),這種�(jié)�(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�(nèi)部熱��
2� 達林頓電力晶體管
達林頓結(jié)�(gòu)的電力晶體管是由2個或多個晶體管�(fù)合而成,可以是PNP型也可以是NPN型,其性質(zhì)取決于驅(qū)動管,它與普通復(fù)合三極管相似。達林頓�(jié)�(gòu)的電力晶體管電流放大倍數(shù)很大,可以達到幾十至幾千倍。雖然達林頓�(jié)�(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�(dǎo)通損耗,同時降低了管子的工作速度�
3� 電力晶體管模�
目前作為大功率的開關(guān)�(yīng)用還是電力晶體管模塊,它是將電力晶體管管芯及為了改善性能�1個元件組裝成1個單元,然后根據(jù)不同的用途將幾個單元電路構(gòu)成模�,集成在同一硅片�。這樣,大大提高了器件的集成度、工作的可靠性和性能/價格�,同時也實現(xiàn)了小型輕量化。目前生�(chǎn)的電力晶體管模塊,可將多�6個相互絕緣的單元電路制在同一個模塊內(nèi),便于組成三相橋電路�
1� 電壓參數(shù)
?�?� 電壓額定�
集電極電壓額定值是指集電極的擊穿電壓�,它不僅因器件不同而不同,而且會因外電路接法不同而不�。擊穿電壓有�
� BUCBO為發(fā)射極開路�,集電極-基極的擊穿電��
?�?nbsp; BUCBO為基極開路時,集電極-�(fā)射極的擊穿電��
?�?nbsp; BUCES為基�-射極短路�,集電極-�(fā)射極的擊穿電��
� BUCER為基�-�(fā)射極間并�(lián)電阻�,集電極-�(fā)射極的擊穿電�。并�(lián)電阻越小,其值越��
?�?nbsp; BUCEX為基�-�(fā)射極施加反偏壓時,集電極-�(fā)射極的擊穿電��
各種不同接法時的擊穿電壓的關(guān)系如下:
BUCBO>BUCEX>BUCES>BUCER>BUCEO
為了保證器件工作安全,電力晶體管的工作電壓UCEM�(yīng)比最小擊穿電壓BUCEO��
?�?)飽和壓降UCES
處于深飽和區(qū)的集電極電壓稱為飽和壓降,在大功率應(yīng)用中它是一項重要指�,因為它�(guān)系到器件�(dǎo)通的功率損�。單個電力晶體管的飽和壓降一般不超過1~1.5V,它隨集電極電流ICM的增加而增��
2� 電流參數(shù)
?�?� 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)溫不超過允許的結(jié)�,晶體管允許連續(xù)通過的直流電流值�
?�?)集電極電流額定值ICM
集電極電流額定值是指在允許�(jié)溫下,不造成器件損壞的電�。超過該額定值必將導(dǎo)致晶體管�(nèi)部結(jié)�(gòu)的燒毀。在實際使用�,可以利用熱容量效應(yīng),根�(jù)占空比來增大連續(xù)電流,但不能超過峰值額定電��
�3)基極電流允許值IBM
基極電流允許值比集電極電流額定值要小得�,通常IBM=(1/10~1/2)ICM,而基極發(fā)射極間的電壓額定值通常只有幾伏。{{分頁}}
3� 其他參數(shù)
?�?)結(jié)溫TJM
�(jié)溫是指出正常工作時不損壞器件所允許的溫�。它由器件所用的半導(dǎo)體材�、制造工�、封裝方式及可靠性要求來決定。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允許結(jié)�,電力晶體管使用時必須選配合適的散熱器�
?�?)額定功耗PCM
額定功耗是指電力晶體管在允許結(jié)溫時,所對應(yīng)的耗散功率。它受結(jié)溫限�,其大小主要由集電結(jié)工作電壓和集電極電流的乘積決�。一般是在環(huán)境溫度為25℃時測定,如果環(huán)境溫度高�25�,允許的PCM值應(yīng)當減�。由于這部分功耗全部變成熱量使器件�(jié)溫升高,因此散熱條件對電力晶體管的安全可靠十分重�,如果散熱條件不好,器件就會因溫度過高而燒毀;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)
?�?)二次擊穿現(xiàn)�
二次擊穿是電力晶體管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重要因�。前述的集電�-�(fā)射極擊穿電壓值BUCEO是一次擊穿電壓值,一次擊穿時集電極電流急劇增加,如果有外加電阻限制電流的增長時,則一般不會引起電力晶體管特性變�。但不加以限制,就會�(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,在某電壓電流點將產(chǎn)生向低阻抗高速移動的負阻�(xiàn)�。一旦發(fā)生二次擊穿就會使器件受到性損壞�
?�?� 安全工作區(qū)(SOA�
電力晶體管在運行中受電壓、電�、功率損耗和二次擊穿等額定值的限制。為了使電力晶體管安全可靠地運行,必須使其工作在安全工作區(qū)范圍�(nèi)。安全工作區(qū)是由電力晶體管的二次擊穿功率PSB、集射極電壓UCEM、集電極電流ICM和集電極耗散功率PCM等參�(shù)限制的區(qū)�,如�4的陰影部分所��
安全工作區(qū)是在一定的溫度下得出的,例如環(huán)境溫�25℃或管子殼溫75℃等。使用時,如果超出上述指定的溫度�,則允許功耗和二次擊穿耐能都必須降低額定使用�
1� GTR�(qū)動電路的�(shè)計要�
GTR基極�(qū)動方式直接影響其工作狀�(tài),可使某些特性參�(shù)得到改善或變�,例�,過�(qū)動加速開�,減少開通損耗,但對�(guān)斷不�,增加了�(guān)斷損耗。驅(qū)動電路有無快速保護功�,則是GTR在過�、過流后是否損壞的重要條�。GTR的熱容量�,過載能力差,采用快速熔斷器和過電流繼電器是根本無法保護GTR的。因�,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的方法進行保護。這就將保護措施轉(zhuǎn)化成如何及時準確地測到故障狀�(tài)和如何快速可靠地封鎖基極�(qū)動信號�2個方面的問題�
?�?� �(shè)計基極驅(qū)動電路考慮的因�
�(shè)計基極驅(qū)動電路必須考慮�3個方面:�(yōu)化驅(qū)動特�、驅(qū)動方式和自動快速保護功��
� �(yōu)化驅(qū)動特�
�(yōu)化驅(qū)動特性就是以理想的基極驅(qū)動電流波形去控制器件的開�(guān)過程,保證較高的開關(guān)速度,減少開�(guān)損�。優(yōu)化的基極�(qū)動電流波形與GTO門極驅(qū)動電流波形相似。{{分頁}}
?�?nbsp; �(qū)動方�
�(qū)動方式按不同情況有不同的分類方法。在此處,驅(qū)動方式是指驅(qū)動電路與主電路之間的連接方式,它有直接和隔離2種驅(qū)動方式:直接�(qū)動方式分為簡單驅(qū)�、推挽驅(qū)動和抗飽�(qū)動等形式;隔離驅(qū)動方式分為光電隔離和電磁隔離形式�
?�?nbsp; 自動快速保護功�
在故障情況下,為了實�(xiàn)快速自動切斷基極驅(qū)動信號以免GTR遭到損壞,必須采用快速保護措施。保護的類型一般有抗飽�、退抗飽�、過�、過壓、過熱和脈沖限制��
?�?� 基極�(qū)動電�
GTR的基極驅(qū)動電路有恒流�(qū)動電路、抗飽和�(qū)動電�、固定反偏互補驅(qū)動電路、比例驅(qū)動電�、集成化�(qū)動電路等多種形式。恒流驅(qū)動電路是指其使GTR的基極電流保持恒�,不隨集電極電流變化而變�??癸柡万?qū)動電路也稱為貝克箝位電路,其作用是讓GTR開通時處于準飽和狀�(tài),使其不進入放大區(qū)和深飽和區(qū),關(guān)斷時,施加一定的負基極電流有利于減小�(guān)斷時間和�(guān)斷損�。固定反偏互補驅(qū)動電路是由具有正、負雙電源供電的互補輸出電路�(gòu)成的,當電路輸出為正時,GTR�(dǎo)�;當電路輸出為負時,�(fā)射結(jié)反偏,基區(qū)中的過剩載流子被迅速抽出,管子迅速關(guān)�。比例驅(qū)動電路是使GTR的基極電流正比于集電極電流的變化,保證在不同負載情況�,器件的飽和深度基本相同。集成化�(qū)動電路克服了上述電路元件多、電路復(fù)�、穩(wěn)定性差、使用不方便等缺�。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)動電路種類很多,下面介紹一種分立元件GTR的驅(qū)動電�,如�5所�。電路由電氣隔離和晶體管放大電路兩部分構(gòu)�。電路中的二極管VD2和電位補償二極管VD3組成貝克箝位抗飽和電�,可使GTR�(dǎo)通時處于臨界飽和狀�(tài)。當負載輕時,如果V5的發(fā)射極電流全部注入V,會使V過飽�,關(guān)斷時退飽和時間延長。有了貝克電路后,當V過飽和使得集電極電位低于基極電位�,VD2就會自動�(dǎo)�,使得多余的�(qū)動電流流入集電極,維持Ubc�0。這樣,就使得V�(dǎo)通時始終處于臨界飽和。圖中的C2為加速開通過程的電容,開通時,R5被C2短路。這樣就可以實�(xiàn)�(qū)動電流的過沖,同時增加前沿的陡度,加快開�。另�,在V5�(dǎo)通時C2充電,充電的極性為左正右負,為GTR的關(guān)斷做做準備。當V5截止V6�(dǎo)通時,C2上的充電電壓為V管的�(fā)射結(jié)施加反電�,從而GTR迅速關(guān)斷�
?、贕TR集成�(qū)動電路種類很多,下面簡單介紹幾種情況�
HL202是國�(chǎn)雙列直插�20引腳GTR集成�(qū)動電路,�(nèi)有微分變壓器實現(xiàn)信號隔離,貝克箝位退飽和、負電源欠壓保護。工作電源電�+8~+10V�-5.5V~ -7V,輸出電流大�2.5A,可以驅(qū)�100A以下GTR�
UAA4003是雙列直��16引腳GTR集成�(qū)動電�,可以對被驅(qū)動的GTR實現(xiàn)�(qū)動和完善保護,保證GTR運行于臨界飽和的理想狀�(tài),自身具有PWM脈沖形成單元,特別適用于直流斬波器系�(tǒng)�
M57215BL是雙列直��8引腳GTR集成�(qū)動電路,單電源自生負偏壓工作,可以驅(qū)�50A�1000V以下的GTR模塊一個單元;外加功率放大可以�(qū)�75~400A以上GTR模塊。{{分頁}}
電力晶體管的緩沖電路(也稱吸收電路)
作用:降低浪涌電�、減少器件的開關(guān)損�、避免器件的二次擊穿、抑制電磁干擾、減少du/dt、di/dt的影響以及提高電路的可靠��
為了避免同時出現(xiàn)電壓和電流的值,�(yīng)分別考慮開啟緩沖與關(guān)斷緩沖的�(shè)�,以減少器件的開�(guān)耗損�
?�?)關(guān)斷緩沖電�
�(guān)鍵是加入緩沖電容。限制du/dt,因此,不會出現(xiàn)集電極電壓與集電極電流同時為的情�,因而不會出�(xiàn)瞬時尖峰功耗。書上圖2-21所��
電容量越�,瞬時關(guān)斷損耗越��
?�?)開通緩沖電�
開通時的關(guān)鍵因素是di/dt,常采用串聯(lián)電感的方法進行緩沖。因�,不會出�(xiàn)集電極電壓與集電極電流同時為的情�,因而不會出�(xiàn)瞬時尖峰功�。書上圖2-22所��
電感量越大,開通損耗越��
�3)復(fù)合緩沖電�
將關(guān)斷緩沖電路與開通緩沖電路結(jié)合在一��
維庫電子�,電子知識,一查百��
已收錄詞�161597�