电力双极470UF 6.3V型晶体管

　　电力双极型晶体管(GTR)是一种耐高压、能遭受大电流的双极晶体管，也称为BJT，简称为电力晶体管。它与晶闸管差异，具有线性放大特性，但在电力电子应用中却事情在开关状态，从而减小功耗。GTR可通过基极节制其开通和关断，是典范的自关断器件。

一、电力晶体管的布局和事情道理

　　电力晶体管有与一般双极型晶体管相似的布局、事情道理和特性。它们都是3层半导体，2个PN结的三端器件，有PNP和NPN这2种范例，但GTR多回收NPN型。GTR的布局、电气标记和根基事情道理，如图1所示。

　　在应用中，GTR一般回收共发射极接法，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的电放逐大系数，它反应出基极电流对集电极电流的节制本领。单管GTR的电放逐大系数很小，凡是为10阁下。

　　在思量集电极和发射极之间的泄电流时，

　　i c=βi b+I c e o     (2)

二、GTR的范例

　　今朝常用的GTR的单管、达林顿管和模块这3种范例。

1、 单管GTR

　　NPN三重扩散台面型布局是单管GTR的典范布局，这种布局靠得住性高，能改进器件的二次击穿特性，易于提高耐压本领，并易于散出内部热量。{{分页}}

2、  达林顿GTR

　　达林顿布局的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。达林顿布局的GTR电放逐大倍数很大，可以到达几十至几千倍。固然达林顿布局大大提高了电放逐大倍数，但其饱和管压降却增加了，增大了导通损耗，同时低落了管子的事情速度。

3、  GTR模块

　　今朝作为大功率的开关应用照旧GTR模块，它是将GTR管芯及为了改进机能的1个元件组装成1个单位，然后按照差异的用途将几个单位电路组成模块，集成在同一硅片上。这样，大大提高了器件的集成度、事情的靠得住性和机能/价值比，同时也实现了小型轻量化。今朝出产的GTR模块，可将多达6个彼此绝缘的单位电路制在同一个模块内，便于构成三相桥电路。

三、GTR的特性

1、  静态特性

　　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，在此仅先容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。由图明明看出，静态特性分为3个区域，即人们所熟悉的截至区、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，管子事情在截至区；当发射结处于正偏、集电结处于反偏状态时，管子事情在放大区；当发射和集电结都处于正偏状态时，管子事情在饱和区。GTR在电力电子电路中，需要事情在开关状态，因此它是在饱和和截至区之间瓜代事情。

2、  动态特性

　　GTR是用基极电流节制集电极电流的，器件开关进程的瞬态变革，就反应出其动态特性。GTR的动态特性曲线， 耐高温，如图3所示。

　　由于管子结电容和储存电荷的存在，开关进程不是瞬时完成的。GTR开通时需要颠末延时时间和上升时间，二者之和为开通时间；关断时需要颠末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， 330UF 10V，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，不然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快存储电荷的消散，淘汰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，可选用结电容较量小的快速开关管，还可用加快电容来改进GTR的开关特性。在GTR的基极电阻两头并联一个电容，操作换流瞬间其上电压不能突变的特性，也可改进管子的开关特性。

四、GTR的主要参数

1、  电压参数

（1） 最高电压额定值

　　最高集电极电压额定值是指集电极的击穿电压值，它不只因器件差异而差异，并且会因外电路接法差异而差异。击穿电压有：

① 　　BUCBO为发射极开路时，集电极-基极的击穿电压。

②     BUCBO为基极开路时，集电极-发射极的击穿电压。

③     BUCES为基极-射极短路时，集电极-发射极的击穿电压。

④     BUCER为基极-发射极间并联电阻时，集电极-发射极的击穿电压。并联电阻越小，其值越高。

⑤     BUCEX为基极-发射极施加反偏压时，集电极-发射极的击穿电压。

　　各类差异接法时的击穿电压的干系如下：

　　BUCBO>BUCEX>BUCES>BUCER>BUCEO

　　为了担保器件事情安详，GTR的最高事情电压UCEM应比最小击穿电压BUCEO低。

（2）饱和压降UCES

　　处于深饱和区的集电极电压称为饱和压降，在大功率应用中它是一项重要指标，因为它干系到器件导通的功率损耗。单个GTR的饱和压降一般不高出1~1.5V，它随集电极电流ICM的增加而增大。

2、  电流参数

（1） 集电极持续直流电流额定值IC

　　集电极持续直流电流额定值是指只要担保结温不高出答允的最高结温，晶体管答允持续通过的直流电流值。

（2）集电极最大电流额定值ICM

　　集电极最大电流额定值是指在最高答允结温下，不造成器件损坏的最大电流。高出该额定值必将导致晶体管内部布局的烧毁。在实际利用中，可以操作热容量效应，按照占空比来增大持续电流，但不能高出峰值额定电流。

（3）基极电流最大答允值IBM

　　基极电流最大答允值比集电极最大电流额定值要小得多，凡是IBM=(1/10~1/2)ICM，而基极发射极间的最大电压额定值凡是只有几伏。{{分页}}

3、  其他参数

（1）最高结温TJM

　　最高结温是指出正常事情时不损坏器件所答允的最高温度。它由器件所用的半导体质料、制造工艺、封装方法及靠得住性要求来抉择。塑封器件一般为120℃~150℃，金属封装为150℃~170℃。为了充实操作器件功率而又不高出答允结温，GTR利用时必需选共同适的散热器。

（2）最大额定功耗PCM

　　最大额定功耗是指GTR在最高答允结温时，所对应的耗散功率。它受结温限制，其巨细主要由集电结事情电压和集电极电流的乘积抉择。一般是在情况温度为25℃时测定，假如情况温度高于25℃，答允的PCM值该当减小。由于这部门功耗全部酿成热量使器件结温升高，因此散热条件对GTR的安详靠得住十分重要，假如散热条件欠好，器件就会因温渡过高而烧毁；相反，假如散热条件越好，在给定的范畴内答允的功耗也越高。

4、  二次击穿与安详事情区

（1）二次击穿现象

　　二次击穿是GTR溘然损坏的主要原因之一，成为影响其是否安详靠得住利用的一个重要因素。前述的集电极-发射极击穿电压值BUCEO是一次击穿电压值，一次击穿时集电极电流急剧增加，假如有外加电阻限制电流的增长时，则一般不会引起GTR特性变坏。但不加以限制，就会导致粉碎性的二次击穿。二次击穿是指器件产生一次击穿后，集电极电流急剧增加，在某电压电流点将发生向低阻抗高速移动的负阻现象。一旦产生二次击穿就会使器件受到永久性损坏。

（2） 安详事情区（SOA）

GTR在运行中受电压、电流、功率损耗和二次击穿等额定值的限制。为了使GTR安详靠得住地运行，必需使其事情在安详事情区范畴内。安详事情区是由GTR的二次击穿功率PSB、集射极最高电压UCEM、集电极最大电流ICM和集电极最大耗散功率PCM等参数限制的区域，如图4的阴影部门所示。

　　安详事情区是在必然的温度下得出的，譬喻情况温度25℃或管子壳温75℃等。利用时，假如超出上述指定的温度值，则答允功耗和二次击穿耐能都必需低落额定利用。

五、GTR的驱动和掩护电路

1、  GTR驱动电路的设计要求

　　GTR基极驱动方法直接影响其事情状态，可使某些特性参数获得改进或变坏，譬喻，过驱动加快开通，淘汰开通损耗，但对关断倒霉，增加了关断损耗。驱动电路有无快速掩护成果，则是GTR在过压、过流后是否损坏的重要条件。GTR的热容量小，过载本领差，回收快速熔断器和过电流继电器是基础无法掩护GTR的。因此，不再用割断主电路的要领，而是回收快速割断基极节制信号的要领举办掩护。这就将掩护法子转化成如何实时精确地测到妨碍状态和如何快速靠得住地封闭基极驱动信号这2个方面的问题。

（1） 设计基极驱动电路思量的因素

　　设计基极驱动电路必需思量的3个方面：优化驱动特性、驱动方法和自动快速掩护成果。

①     优化驱动特性

优化驱动特性就是以抱负的基极驱动电流波形去节制器件的开关进程，担保较高的开关速度，淘汰开关损耗。优化的基极驱动电流波形与GTO门极驱动电流波形相似。{{分页}}

②     驱动方法

　　驱动方法按差异环境有差异的分类要领。在此处，驱动方法是指驱动电路与主电路之间的毗连方法，它有直接和断绝2种驱动方法：直接驱动方法分为简朴驱动、推挽驱动和抗饱驱动等形式；断绝驱动方法分为光电断绝和电磁断绝形式。

③     自动快速掩护成果

　　在妨碍环境下，为了实现快速自动割断基极驱动信号以免GTR遭到损坏，必需回收快速掩护法子。掩护的范例一般有抗饱和、退抗饱和、过流、过压、过热和脉冲限制等。

（2） 基极驱动电路

　　GTR的基极驱动电路有恒流驱动电路、抗饱和驱动电路、牢靠反偏互补驱动电路、比例驱动电路、集成化驱动电路等多种形式。恒流驱动电路是指其使GTR的基极电流保持恒定，不随集电极电流变革而变革。抗饱和驱动电路也称为贝克箝位电路，其浸染是让GTR开通时处于准饱和状态，使其不进入放大区和深饱和区，关断时，施加必然的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。牢靠反偏互补驱动电路是由具有正、负双电源供电的互补输出电路组成的，当电路输出为正时，GTR导通；当电路输出为负时，发射结反偏，基区中的过剩载流子被迅速抽出，管子迅速关断。比例驱动电路是使GTR的基极电流正比于集电极电流的变革，担保在差异负载环境下，器件的饱和深度基内情同。集成化驱动电路降服了上述电路元件多、电路巨大、不变性差、利用不利便等缺点。具有代表性的器件是THOMSON公司的UAA4003和三菱公司的M57215BL。

　　①GTR的驱动电路种类许多，下面先容一种分立元件GTR的驱动电路，如图5所示。电路由电气断绝和晶体管放大电路两部门组成。电路中的二极管VD2和电位赔偿二极管VD3构成贝克箝位抗饱和电路，可使GTR导通时处于临界饱和状态。当负载轻时，假如V5的发射极电流全部注入V，会使V过饱和，关断时退饱和时间耽误。有了贝克电路后，当V过饱和使得集电极电位低于基极电位时，VD2就会自动导通，使得多余的驱动电流流入集电极，维持Ubc≈0。这样，就使得V导通时始终处于临界饱和。图中的C2为加快开通进程的电容，开通时，R5被C2短路。这样就可以实现驱动电流的过冲，同时增加前沿的陡度，加速开通。别的，在V5导通时C2充电，充电的极性为左正右负，为GTR的关断做做筹备。当V5截至V6导通时，C2上的充电电压为V管的发射结施加反电压，从而GTR迅速关断。
      

　　②GTR集成驱动电路种类许多，下面简朴先容几种环境：

　　HL202是国产双列直插、20引脚GTR集成驱动电路，内有微分变压器实现信号断绝，贝克箝位退饱和、负电源欠压掩护。事情电源电压+8~+10V和-5.5V~ -7V，最大输出电流大于2.5A，可以驱动100A以下GTR。

　　UAA4003是双列直插、16引脚GTR集成驱动电路，可以对被驱动的GTR实现最优驱动和完善掩护，担保GTR运行于临界饱和的抱负状态，自身具有PWM脉冲形成单位，出格合用于直流斩波器系统。

　　M57215BL是双列直插、8引脚GTR集成驱动电路，单电源自生负偏压事情，可以驱动50A，1000V以下的GTR模块一个单位；外加功率放大可以驱动75~400A以上GTR模块。{{分页}}

2、  GTR的掩护电路

　　GTR的掩护电路应包罗对器件的过电压掩护、过电流掩护、过热掩护、安详区外运行状态掩护以及过大的di/dt和du/dt的掩护。为防备GTR的损坏，这些掩护必需快速行动，并且这些掩护都是在精确检测的基本上完成。过压、过热掩护相对简朴，可以操作压敏电阻、热敏电阻来实现掩护。而对du/dt和di/dt限制掩护，可通过缓冲电路来实现；过电流掩护可按照基极或集电极电压特性来实现。下面先容这2种掩护电路的监测及事情道理。

　　过电流的呈现是由于GTR处于过载或短路妨碍而引起的，此时跟着集电极电流的急剧增加，其基极电压UBE和集电极电压UCE均产生相应变革。在基极电流和结温一按时，UBE随IC正比变革，监测UBE再与给定的基准值举办较量，就可发出切除驱动基极信号的呼吁，实现过载和过流掩护。与此雷同，操作UCE也可到达过流掩护的目标。但UCE的变革比UBE迟钝，且受温度影响较大。

　　由于UBE随IC的变革比UCE的变革快，因此监测UBE适于短途经流掩护，而监测UCE合用过载掩护。过流掩护的基极电压特性和电压监测电路，如图6所示。
     

　　由图6(a)明明看出，GTR的电压UBE跟着IC正比变革。图6（b）电路随时监测UBE的变革，同时与基准电压值UR举办较量。在正常环境下，UBE< SPAN>R，较量器输出低电平担保驱动管V和GTR导通。当主电路产生短路时，UBE线性上升，一旦UBE>UR，较量器当即输出高电平使驱动管截至，迅速关断已经短途经流的GTR，实现过流掩护。

　　过载掩护的集电极电压特性和电压监测电路，如图7所示。由图7(a)可见，GTR事情在饱和区和准饱和区时，UCE一般在0.8~2V之间。当负载过流或由于基极驱动电流不敷时，均引起GTR退出饱和区进入线性放大区，致使UCE迅速增大，功耗猛增使器件烧毁。图7(b)电路随时监测UCE的变革，当UCE>UR时，掩护电路行动使GTR关断。电路中电容C起加快强制开通浸染。

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