电力双极型晶体管(GTR)是一种耐高压、能承受大电流的双极晶体管,也称为BJT,简称为电力晶体管。它与晶闸管不同,具有线性放大特性,但在电力电子应用中却工作在开关状态,从而减小功耗。GTR可通过基极控制其开通和关断,是典型的自关断器件。
一、电力晶体管的结构和工作原理
电力晶体管有与一般双极型晶体管相似的结构、工作原理和特性。它们都是3层半导体,2个PN结的三端器件,有PNP和NPN这2种类型,但GTR多采用NPN型。GTR的结构、电气符号和基本工作原理,如图1所示。
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在应用中,GTR一般采用共发射极接法,如图1(c)所示。集电极电流i c与基极电流i b的比值为 β=i c/i b (1) 式中,β称为GTR的电流放大系数,它反映出基极电流对集电极电流的控制能力。单管GTR的电流放大系数很小,通常为10左右。 在考虑集电极和发射极之间的漏电流时, i c=βi b+I c e o (2)
二、GTR的类型
目前常用的GTR的单管、达林顿管和模块这3种类型。1、 单管GTR NPN三重扩散台面型结构是单管GTR的典型结构,这种结构可靠性高,能改善器件的二次击穿特性,易于提高耐压能力,并易于散出内部热量。{{分页}}2、 达林顿GTR 达林顿结构的GTR是由2个或多个晶体管复合而成,可以是PNP型也可以是NPN型,其性质取决于驱动管,它与普通复合三极管相似。达林顿结构的GTR电流放大倍数很大,可以达到几十至几千倍。虽然达林顿结构大大提高了电流放大倍数,但其饱和管压降却增加了,增大了导通损耗,同时降低了管子的工作速度。3、 GTR模块 目前作为大功率的开关应用还是GTR模块,它是将GTR管芯及为了改善性能的1个元件组装成1个单元,然后根据不同的用途将几个单元电路构成模块,集成在同一硅片上。这样,大大提高了器件的集成度、工作的可靠性和性能/价格比,同时也实现了小型轻量化。目前生产的GTR模块,可将多达6个相互绝缘的单元电路制在同一个模块内,便于组成三相桥电路。
三、GTR的特性1、 静态特性
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静态特性可分为输入特性和输出特性。输入特性与二极管的伏安特性相似,在此仅介绍其共射极电路的输出特性。GTR共射极电路的输出特性曲线,如图2所示。由图明显看出,静态特性分为3个区域,即人们所熟悉的截止区、放大区及饱和区。当集电结和发射结处于反偏状态,或集电结处于反偏状态,发射结处于零偏状态时,管子工作在截止区;当发射结处于正偏、集电结处于反偏状态时,管子工作在放大区;当发射和集电结都处于正偏状态时,管子工作在饱和区。GTR在电力电子电路中,需要工作在开关状态,因此它是在饱和和截止区之间交替工作。
2、 动态特性 GTR是用基极电流控制集电极电流的,器件开关过程的瞬态变化,就反映出其动态特性。GTR的动态特性曲线,如图3所示。
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由于管子结电容和储存电荷的存在,开关过程不是瞬时完成的。GTR开通时需要经过延时时间和上升时间,二者之和为开通时间;关断时需要经过储存时间和下降时间,二者之和为关断时间。{{分页}} 实际应用中,在开通GTR时,加大驱动电流i b和其上升率,可减小td和tr ,但电流也不能太大,否则会由于过饱和而增大t s。在关断GTR时,加反向基极电压可加速存储电荷的消散,减少t s ,但反向电压不能太大,以免使发射结击穿。 为了提高GTR的开关速度,可选用结电容比较小的快速开关管,还可用加速电容来改善GTR的开关特性。在GTR的基极电阻两端并联一个电容,利用换流瞬间其上电压不能突变的特性,也可改善管子的开关特性。