电力晶体管基础知识解析题「电力晶体管工作原理」

时间：2023-03-20 17:09:00来源：搜狐

今天带来电力晶体管基础知识解析题「电力晶体管工作原理」，关于电力晶体管基础知识解析题「电力晶体管工作原理」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

电力晶体管按英文Giant Transistor——GTR，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor—BJT），所以有时也称为Power BJT；但其驱动电路复杂，驱动功率大；GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。

GTR是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力，产生于上个世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的符号如图1,和普通的NPN晶体管一样。

电力晶体管的结构

电力晶体管（Giant Transistor）简称GTR又称BJT（Bipolar Junction Transistor），GTR和BJT这两个名称是等效的，结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。GTR由三层半导体、两个PN结组成。和小功率三极管一样，有PNP和NPN两种类型，GTR通常多用NPN结构。

电力晶体管工作原理

在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。GTR通常工作在正偏（Ib>0）时大电流导通；反偏（Ib<0=时处于截止状态。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。

电力晶体管特点

l 输出电压

可以采用脉宽调制方式，故输出电压为幅值等于直流电压的强脉冲序列。

2 载波频率

由于电力晶体管的开通和关断时间较长，故允许的载波频率较低，大部分变频器的上限载波频率约为1.2～1.5kHz左右。

3 电流波形

因为载波频率较低，故电流的高次谐波成分较大。这些高次谐波电流将在硅钢片中形成涡流，并使硅钢片相互间因产生电磁力而振动，并产生噪音。又因为载波频率处于人耳对声音较为敏感的区域，故电动机的电磁噪音较强。

4 输出转矩

因为电流中高次谐波的成分较大，故在50Hz时，电动机轴上的输出转矩与工频运行时相比，略有减小。

电力晶体管的基本特性

（1）静态特性

共发射极接法时可分为三个工作区：

① 截止区。在截止区内，iB≤0，uBE≤0，uBC<0，集电极只有漏电流流过。

② 放大区。iB >0，uBE>0，uBC<0，iC =βiB。

③ 饱和区。iB >Ics/β，uBE>0，uBC>0，iCS是集电极饱和电流，其值由外电路决定。

结论：两个PN结都为正向偏置是饱和的特征。饱和时，集电极、发射极间的管压降uCE很小，相当于开关接通，这时尽管电流很大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临界饱和，如iB继续增加，则为过饱和，用作开关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降低uCE和减小导通时的损耗。

（2）动态特性

图4-9 GTR开关特性

GTR在关断时漏电流很小，导通时饱和压降很小。因此，GTR在导通和关断状态下损耗都很小，但在关断和导通的转换过程中，电流和电压都较大，所以开关过程中损耗也较大。当开关频率较高时，开关损耗是总损耗的主要部分。因此，缩短开通和关断时间对降低损耗、提高效率和提高运行可靠性很有意义。

电力晶体管的主要参数

（1）最高工作电压

（2）集电极最大允许电流ICM

（3）集电极最大允许耗散功率PCM

（4）最高工作结温TJM

二次击穿和安全工作区

（1）二次击穿

二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一个重要因素。当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。出现一次击穿后，只要Ic不超过与最大运行耗散功率相对应的限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不会有什么变化。但是实际应用中常常发现一次击穿发生时如不有效地限制电流，Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的突然下降，这种现象称为二次击穿。防止二次击穿的办法是：①应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多。②必须有电压电流缓冲保护措施。

（2）安全工作区

以直流极限参数ICM、PCM、UCEM构成的工作区为一次击穿工作区，以USB （二次击穿电压）与ISB （二次击穿电流）组成的PSB （二次击穿功率）是一个不等功率曲线。为了防止二次击穿，要选用足够大功率的GTR，实际使用的最高电压通常比GTR的极限电压低很多。

图4-10 GTR安全工作区

图4-11 GTR基极驱动电流波形

驱动与保护

1.GTR基极驱动电路

（1）对基极驱动电路的要求

①实现主电路与控制电路间的电隔离。

②导通时，基极正向驱动电流应有足够陡的前沿，并有一定幅度的强制电流，以加速开通过程，减小开通损耗。

③GTR导通期，基极电流都应使GTR处在临界饱和状态，这样既可降低导通饱和压降，又可缩短关断时间。

④在使GTR关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流，以加快关断速度，减小关断损耗。

⑤应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能。

（2）基极驱动电路

图4-12 实用的GTR驱动电路

2.集成化驱动

集成化驱动电路克服了一般电路元件多、电路复杂、稳定性差和使用不便的缺点，还增加了保护功能。

3.GTR的保护电路

开关频率较高，采用快熔保护是无效的。一般采用缓冲电路。主要有RC缓冲电路、充放电型R、C、VD缓冲电路和阻止放电型R、C、VD缓冲电路三种形式，如图4-13所示。

图4-13 GTR的缓冲电路

图4-13a所示RC缓冲电路只适用于小容量的GTR（电流10 A以下）。图4-13b所示充放电型R、C、VD缓冲电路用于大容量的GTR。图4-13c所示阻止放电型R、C、VD缓冲电路，较常用于大容量GTR和高频开关电路，其最大优点是缓冲产生的损耗小。

电力晶体管电路分析

图6-21所示为三相桥式PWM逆变电路，功率开关器件为GTR，负载为电感性。从电路结构上看，三相桥式PWM变频电路只能选用双极性控制方式，其工作原理如下：

三相调制信号urU、urV和urW为相位依次相差120°的正弦波，而三相载波信号是公用一个正负方向变化的三角形波uc，如图6-23所示。U、V和W相自关断开关器件的控制方法相同，现以U相为例：在urU>uc的各区间，给上桥臂电力晶体管V1以导通驱动信号，而给下桥臂V4以关断信号，于是U相输出电压相对直流电源Ud中性点N‘为uUN" =Ud/2。在urU<uc的各区间，给V1以关断信号，V4为导通信号，输出电压uUN" =-Ud/2。电路中VD1～VD6二极管是为电感性负载换流过程提供续流回路，其它两相的控制原理与U相相同。三相桥式PWM变频电路的三相输出的PWM波形分别为uUN’、uVN‘和uWN’。

该内容是云汉芯城小编通过网络搜集资料整理而成，如果你还想了解更多关于电子元器件的相关知识及电子元器件行业实时市场信息，敬请关注微信公众号【云汉芯城】。