電力晶體管的原理和特點是什么?

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

工作原理

在電力電子技術中，GTR主要工作在開關狀態。GTR通常工作在正偏(Ib＞0)時大電流導通；反偏(Ib＜0＝時處于截止狀態。因此，給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅動信號，它將工作于導通和截止的開關狀態。

0　引　言　　
　　大功率晶體管（GTR）是第二代功率半導體器件，它克服了晶閘管不能自關斷與開關速度慢的缺點，簡化了變頻傳動和其它帶逆變環節的交流器的換相，降低了體積，且可節能，是電力電子裝置的關鍵器件，廣泛地應用于載波器、穩壓電源以及交直流電機調速領域。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，即使時間很短（微秒級）也可能對它造成損壞，用快速熔斷器或快速斷路器是不能對其保護的。
　　在電力電子裝置中，GTR實際上是一個靜止式的無觸點開關，它的通斷受基極驅動電流的控制。作為開關器件，存在著開通時間t_on與關斷時間t_off，相應地存在著開通損耗與關斷損耗。一般認為，GTR損壞的主要原因之一是GTR退出了飽和區，進入了放大區，使得開關損耗太大。減小GTR的開關損耗就是要提高工作頻率，降低結溫，擴大安全工作區，提高性能指標。
　　GTR應用的關鍵技術是如何成功地對GTR進行保護，它直接決定著變頻器和逆變器質量的優劣。鑒于在主電路中通過設置霍爾元件檢測故障電流來實現短路保護，比在驅動電路中設置自保護響應慢些，一般是在驅動電路中實現對GTR的自保護。因此，設計性能良好的驅動電路是GTR安全可靠運行的重要保障。

1　基極驅動電路設計原則
1．1　驅動問題
　　驅動的作用是使GTR可靠的開通與關斷，設計基極驅動電路時應考慮采用基極優化驅動方案。所謂優化驅動，就是以理想的基極驅動電流波形去控制GTR的開關過程，如圖1所示。
　　
　　從圖1可以看出，優化驅動特性具有以下幾點品質：
　　a．正向驅動電流的上升沿要陡，要有一定時間的過驅動電流I_b1，I_b1的數值選為準飽和基極驅動電流值I_b2的2倍左右，過驅動時間為幾個μs，以使GTR迅速開通，減小t_on。
　　b．GTR被驅動后，其基極驅動電流應能自適應負載參數的變化，只要GTR處于正常工作狀態下，基極驅動電路提供的基極電流都能保障GTR處于臨界飽和狀態，以減小基極損耗，縮短存儲時間t_s。

　　c．關斷時，驅動電路能為GTR基極—射極間提供一反向電流，以迅速抽取基區存儲電荷，減小t_off。關斷初始電流I_b3一般為I_b1的2～3倍，I_b3太22大則會產生基極電流的尾部效應，反而增加關斷損耗，不利于GTR的關斷，使其反向安全工作區減小，一般為正向驅動電流的2倍值或相等。由外施偏置形成此反向抽取電流時，其供電電壓必須限制在GTR的U_EBO以下，但要加足以防止GTR的反向導電。
　　為了獲取上述優良的驅動特性，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斷時間。如圖2為采用加速電容的驅動電路原理圖。正向驅動時，C將R₁短路，可以給GTR提供峰值較大的初始強驅動電流為：
　　??????????????????????????????????????????? （1）　　

　
　　隨著C充電的逐漸增加，驅動電流i_B也越來越小，C充滿電時，GTR正常導通，此時，基極電流為：
　???????? 　I_B＝（E－U_BE）／（R₁＋R₂）（2）

　　上式I_B的值應大于I_C／β，才能保證GTR處于飽和狀態，β為GTR的直流放大倍數。
　　電路達到穩態時，C上電壓值為：

? (3)
　　關斷時，利用C上的電壓值為GTR基—射間提供負壓，加速GTR截止。
1．1．2　利用貝克鉗位技術減小存儲時間t_s。如圖3是貝克鉗位技術電路圖。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。正向驅動時，基極電流流經二極管D₂，設D₂的正向壓降等于U_F，則圖中A點電位U_A關斷及溢流二極管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，集電極電壓U_CE很高，U_D1為負，二極管D₁不工作，當GTR進入臨界飽和區，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，則此時二極管D₁導通，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。
　　第2部分為二極管D₃，由于接入了二極管D₂，必須同時并聯二極管D₃，它為反向基極電流提供通道。
　　在GTR的基極上多串幾個電位抬高二極管可以使GTR工作在放大狀態，進一步改善儲存時間。但是儲存時間的改善是以增加通態損耗為代價的，增加了的U_CE使通態損耗變大。因此，設計時應在儲存時間t_s的改善與功率耗散間折衷考慮，還應注意到儲存時間的改善與U_CE的大小并非成正比，當U_CE增加到一定程度后，儲存時間隨U_CE的增高減小很少。試驗表明，U_CE＞4 V時，儲存時間改善很少，而當U_CE＞8 V時，幾乎看不到儲存時間的改變。

　　這個電路的缺點是：由于引入了電位抬高二極管，B點信號與A點相比有一定的延時。改進后的貝克鉗位電路如圖4所示。圖4中T₁，T₂是驅動電路的功放級，由于它們工作在射極輸出狀態，使從A點到B點的信號失真很少，也保障了足夠大的驅動電流。與此同時，T₁的基射壓降將A點電位抬高，代替了圖3中二極管D₂的作用，它與溢流二極管D₁協同使GTR工作在臨界飽和狀態，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基極損耗的優點。貝克鉗位電路僅利用了二極管這一電子元件給GTR的開關性能帶來了許多改善，二極管的合理選取，關系到貝克鉗位電路能否正常工作，以下是供電路設計者參考的準則：
　　　

　
　　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GTR關斷時，D₁阻斷不了主電路電壓，造成D₁擊穿，把高壓引入驅動電路而造成對驅動板的損害。對圖3所示的接法，要求D₁的電流額定值與全部基極驅動電流相等，以免GTR負載小時，由于D₁過熱而導致運行失效；對圖4所示的電路，D₁的額定值應大于或等于T₁的最大基極電流，它必須是快恢復二極管（200 ns或更小），最好為GTR關斷時間t_off的1／10，因為在D₁的反向恢復時間t_rr內，電流從GTR集電極流向基極或驅動電路中，可能會使GTR誤導通，而造成i_c出現振蕩波形，此恢復電流對基極驅動電路的元件也是有害的。
　　b．D₂應為低壓元件，電壓額定值只要與基極驅動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的快速導通，其基極電流額定值應與基極驅動電流相等。GTR反向關斷時，在D₂的反向恢復時間t_rr內，可以為GTR反向抽取電流提供一條通路。因此，D₂的反向恢復電流可以加速GTR關斷，故不必選用快恢復二極管。
　　c．D₃的作用是為反向基極電流提供一條通道，它只在晶體管儲存時間內導通。在實際應用中，由于儲存時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系。在電路中主要有2方面的作用：a．可以減小對控制信號的干擾；b．主電路或驅動電路故障不會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、價格低、靈敏度高、隔離度高的特點，所以是GTR驅動器隔離級的理想器件。電信號的傳遞是通過光束來進行耦合的，所以光電耦合器件的輸出端對輸入端無反饋影響，而且頻帶寬、失真小，又很容易地將2個不同電位的電路系統聯系起來。驅動電路中光電耦合器的選取應遵從以下2個原則：
　　a．光電耦合器應當選用高速型光耦，用普通型光耦響應速度相對慢，關斷時間一般為5～10μs，在信號傳輸上就產生了一個延時，而且可能出現開通與關斷延遲時間不等的現象。因此在橋式逆變電路中，會使同一橋臂上下2個GTR關斷時間（封鎖時間）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，會使光耦輸出一個窄脈沖，這個窄脈沖有可能使GTR組成橋式電路運行時發生直通現象。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速度變慢，因此，必須選擇抗干擾能力強的光耦。
1．3　保護問題
　　GTR能通過的最大電流比額定電流高不了多少，因此，對GTR的保護就成了應用的難題，GTR的保護一般是在驅動電路中實現對GTR的自保護。其保護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現負載短路保護，如發生短路現象時，可將所有晶體管開通，以最大限度地發揮電流承受能力，并且把可控整流橋拉入逆變，使存儲在電感中的能量逆變回電網；實現開路保護則很困難，必須設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。電壓型逆變器實現開路保護容易，實現短路保護難度大些，一般是利用GTR可自關斷的特點，故障一旦檢出，就迅速關斷GTR器件。
一般認為GTR損壞的主要原因有：
　　a．瞬態過壓。由于感性負載或布線電感的影響，GTR關斷時會產生瞬態電壓尖峰。瞬態過壓是GTR二次擊穿手主要原因，它的防護一般是給GTR并一RC或RCD網絡，消除峰值電壓，改善GTR開關工作條件。
　　b．過流。流過GTR的電流超過最大允許電流I_CM時，可能會使電極引線過熱而燒斷，或使結溫過高而損壞。檢測過流信號是技術難點，檢測到過流信號后，通常是關閉GTR的基極電流，利用GTR42的自關斷能力切斷電路。
　　c．退飽和。GTR的電路中工作在準飽和狀態，但也可因外部電路條件的變化，使它退出了飽和區，進入了放大區，使得集電極耗散功率增大。
　　退飽和與過流是2種不同現象。我們知道，GTR飽和的條件是I_B≥I_C／β。因此，即使I_C沒達到過流整定值，若I_B減小或β減小，也會產生退飽和現象。
　　退飽和保護與過流保護相似。即在故障發生時，利用GTR的自關斷能力切斷電路。在一定條件下，退飽和保護可以取代過流保護。條件是退飽和保護比過流保護先動作。
　　在驅動電路中實現退飽和保護，依據檢測對象的不同，可分為U_BE監測法或U_CE監測法，原理相同，都是利用i_c升高時，U_BE和U_CE都會升高這一特點，若其超過U_BE或U_CE設定值就自動關斷GTR驅動電路。由于U_BE變化不如U_CE變化敏感，工業上一般采用U_CE監測法對GTR進行保護。

2　GTR退飽和保護電路應用時應注意的幾個問題
2．1　設置合適的啟動脈沖寬度
　　采用U_CE監測法的自保護驅動電路，都存在一個保護死區，即在GTR啟動脈沖區段。開啟時，U_CE很高，保護電路不能打開，否則，就不能正常驅動GTR，只有等到GTR充分導通后才能打開保護電路。因此，當逆變橋輸出口長時間短路時，GTR則會受到啟動脈沖區段內的短路電流沖擊。該電路能否對GTR實現短路保護，就取決于此時死區功率損耗是否超過了GTR的承受能力。
　　GTR存在一個安全工作區（ASO），在脈沖工作狀態下，ASO有所擴展，脈沖寬度越窄，ASO區域就越大。理論上，啟動脈沖寬度最好為GTR出廠時標稱最小導通時間t_on，但由于管子參數差異和驅動條件的不同，一般啟動脈沖寬度應大于t_on，啟動脈沖寬度由試驗決定，調整到GTR恰好導通時的最短時間。同時在主電路中應增設其它一些輔助保護措施，當GTR逆變器啟動階段短路時，就封鎖驅動電路，防止保護死區內長時間短路電流沖擊。
2．2　整定GTR退飽和時合適的U_CE設定值
　　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：截止、飽和與放大。作為開關器件的GTR，在電路中只能處于截止或飽和狀態。為了提高電路的工作頻率，GTR一般應工作于準飽和狀態，驅動電路中采用貝克鉗位電路后，GTR不會工作于深飽和狀態下；GTR也不能工作于放大區。因此，GTR在應用時，必須先了解它的放大倍數β，正確估算基極驅動電流I_b，避免I_b不足而使GTR過早進入放大區，如點C；避免I_b過大而增加驅動電路元件定額（參見圖5）。
　　U_CE不能設置過低，避免GTR仍在準飽和區內運行就關斷了驅動電路，沒有充分利用GTR的定額，如點A；而設置過高，則GTR已經飽和區，而退飽和區保護沒有動作，易造成GTR的損壞，如點B。U_CE的大小可根據實驗方法確定。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點措施：
??? a．加大直流側濾波電容。

??? b．減短導線長度，盡量平和走線，把電流一進一出的導線絞在一起。