电力晶体管GTR的开关特性详解

　　电力晶体管gtr简介

　　电力晶体管是一种双极型大功率高反压晶体管，由于其功率非常大，所以，它又被称作为巨型晶体管，简称GTR。GTR是由三层半导体材料两个PN结组成的，三层半导体材料的结构形式可以是PNP，也可以是NPN。大多数双极型功率晶体管是在重掺质的N+硅衬底上，用外延生长法在N+上生长一层N漂移层，然后在漂移层上扩散P基区，接着扩散N+发射区，因之称为三重扩散。基极与发射极在一个平面上做成叉指型以减少电流集中和提高器件电流处理能力。

　　GTR分为NPN型和PNP型两类，又有单管GTR、达林顿式GTR（复合管）和GTR模块几种形式。

　　单管GTR饱和压降VCES低，开关速度稍快，但是电流增益β小，电流容量小，驱动功率大，用于较小容量的逆变电路。

　　达林顿式GTR电流增益β值大，电流容量大，驱动功耗小，但饱和压降VCES较高，关断速度较慢。和单管GTR一样，达林顿式非模块化的GTR在现代逆变电路中早已不太常用。应用比较广泛的还是GTR模块。它是将两只或4只、6只、甚至7只单管GTR或达林顿式GTR的管芯封装在一个管壳内，分别组成单桥臂、单相桥、三相桥和带泄放管的三相桥形式，外壳绝缘，便于设计和安装。

　　在逆变电路中，GTR都工作在共发射极状态，其输出特性曲线是指集电极电流IC和电压VCE以及基极电流IB之间的关系。

　　

　　电力晶体管gtr的参数

　　（1）开路阻断电压UCEO：基极开路时，集电极一发射极间能承受的电压值。

　　（2）集电极最大持续电流ICM：当基极正向偏置时，集电极能流入的最大电流。

　　（3）电流增益hFE：集电极电流与基极电流的比值称为电流增益，也叫电流放大倍数或电流传输比。

　　（4）集电极最大耗散功率PCM：指GTR在最高允许结温时所消耗的功率，它受结温限制，其大小由集电结工作电压和集电极电流的乘积决定。

　　（5）开通时间ton：包括延迟时间td和上升时间tr。

　　（6）关断时间toff：包括存储时间ts和下降时间tf。

　　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gtr的特性及应用

　　GTR的特性曲线分5个区。I区为截止区，IB=0，IC很小，为CE漏电流。II区为线性放大区，当IB增加时，IC也跟随IB线性增加。随着VCE继续降低，IC已没有增长能力，这就进入了深度饱和区，即第IV区。这时的VCE称为GTR的饱和压降，用VCES表示，它比GTO和VMOSFET要低。V区为击穿区，

　　当VCE增加到一定值时，即使IB不增加，IC也会增加，这时的VCE就是GTR的一次击穿电压。如果VCE继续增加，IC也增加，由于GTR具有负阻特性，当结温上升时，IC更大。由于整个管芯的导电不可能绝对均匀，大的IC会产生集中热点，从而发生雪崩击穿，IC骤增。这时候，即使降低VCE也无济于事，高速增长的热量无法散出，在很短时间内（几微秒甚至几纳秒）便使GTR被永远地烧坏。这就是GTR的二次击穿现象，它是GTR最致命的弱点，也是限制GTR发展和进一步推广应用的最重要的原因之一。

　　电力晶体管GTR大多作功率开关使用，所以，要求它要有足够的容量（高电压、大电流）、适当的增益、较高的工作速度和较低的功率损耗等。但由于电力晶体管的功率损耗大、工作电流大，因此它存在着诸如基区大注入效应、基区扩展效应和发射极电流集边效应等特点和问题。

　　基区大注入效应是指基区中的少数载流子浓度达到或超过掺杂浓度时，器件的注入效率降低，少数载流子扩散系数变大，体内少数载流子寿命下降，以致严重影响GTR的电流增益的现象。

　　基区扩展效应是指在大电流条件下有效基区变宽的效应。器件在小电流状态工作时的集电结宽度主要由基区掺杂浓度决定，因此其增益β值是固定的；但在大电流条件下，由于基区中少数载流子大量增加造成集电结宽度收缩，因而，使有效基区变宽。基区的扩展导致注入效率降低，增益β下降、特征频率减小。

　　发射极电流集边效应也称为基极电阻自偏压效应，是由于在大多数情况下电流条件下，基区的横向压降使得发射极电流分配不均匀所造成的。在这种情况下，电流的分布较多地集中在靠近基极的发射极周边上，引起电流的局部集中，进而导致局部过热。

　　所以，为了削弱上述三种物理效应的影响，必须在结构上采取适当的措施以保证适合大功率应用的需要。

　　电力晶体管GTR的开关特性详解

　　晶体管有线性和开关两种工作方式。当只需要导通和关断作用时采用开关工作方式。GTR主要应用于开关工作方。

　　① 开关响应特性

　　开关工作方式下，用一定的正向基极电流IB1去驱动GTR导通，而用另一反向基极电流IB2迫使GTR关断，由于GTR不是理想开关，故在开关过程中总存在着一定的延时和存储时间。

　　延迟时间td：加入IB1以后一段时间里，iC仍保持为截止状态时的很小电流直到iC上升到0.1I CS。

　　上升时间tr：iC不断上升，直到iC=ICS， GTR进入饱和状态。tr指iC从0.1ICS上升到0.9ICS所需要的时间。 开通时间ton：延迟时间td和上升时间tr之和。即ton=td+tr

　　

　　当基极电流突然从正向IB1变为反向IB2时，GTR的集电极电流iC并不立即减小，仍保持ICS，而要经过一段时间才下降。

　　存储时间ts：把基极电流从正向IB1变为反向IB2时，iC下降到0.9ICS所需的时间。

　　下降时间tf：iC继续下降，iC从0.9ICS下降到0.1ICS所需的时间。

　　此后，iC继续下降，一直到接近反向饱和电流为止，这时GTR完全恢复到截止状态。

　　GTR的关断时间toff：存储时间ts和下降时间tf之和，即

　　toff=ts+tf

　　GTR的开关时间对它的应用有较大的影响，选用GTR时，应注意其开关频率。应使输入脉冲持续时间大于GTR开关时间。

　　

　　改善措施

　　为了使GTR快速导通，缩短开通时间ton，驱动电流必须具有一定幅值，前沿较陡的正向驱动电流，可加速GTR的导通；为加速GTR关断，缩短关断时间toff，驱动电流必须具有一定幅值的反向驱动电流，过冲的负向驱动电流，可缩短关断时间。