功率晶体管(GTR)的特性(20210306105127)

1、功率晶体管(GTR)的特性 功率晶体管(GTR)具有控制方便、开关时间短、通态压降低、髙频特性好、安全工作 区宽等优点。但存在二次击穿问题和耐压难以提高的缺点，阻碍它的进一步发展。 、结构特性 1、结构原理 功率晶体管是双极型大功率器件，又称巨型晶体管或电力同体管，简称GTR。它从本质 上讲仍是晶体管，因而工作原理与一般晶体管相同。但是，由于它主要用在电力电子技术领 域，电流容量大，耐压水平髙，而且大多工作在开关状态，因此其结构与特性又有许多独特 之处。 对GTR的要求主要是有足够的容量、适当的增益、较高的速度和较低的功耗等。由于 GTR电流大、功耗大，因此英工作状况出现了新特点、新问题。比如

2、存在基区大注入效应、 基区扩展效应和发射极电流集边效应等，使得电流增益下降、特征频率减小，导致局部过热 等，为了削弱这种影响，必须在结构上采取适当的措施。目前常用的GTR器件有单管、达 林顿管和模块三大系列。 三重扩散台面型NPN结构是单管GTR的典型结构，其结构和符号如图1所示。这种结 构的优点是结面积较大，电流分布均匀，易于提高耐压和耗散热虽:；缺点是电流增益较低, 一般约为1020g. 集电极 图仁功率晶体管结构及符号 图2、达林顿GTR结构 (a)NPN-NPN 型、(b)PNP-NPNxing 达林顿结构是提高电流增益的一种有效方式。达林顿GTR由两个或多个晶体管复合而成, 可以是P

3、NP或NPN型，如图2所示，其中VI为驱动管，可饱和，而V2为输岀管，不会饱 和。达林顿GTR的电流增益B大大提高，但饱和压降VCES也较高且关断速度较慢。不难推 得 IC=BIB1.VCES= VCES1+VCES2 (其中 B邙年2) 目前作为大功率开关应用最多的是GTR模块。它是将单个或多个达林顿结构GTR及其辅 助元件如稳泄电阻、加速二极管及续流二极管等，做在一起构成模块，如图3所示。为便于 改善器件的开关过程或并联使用，有些模块的中间基极有引线引岀。GTR模块结构紧凑、功 能强，因而性能价格比大大提高。 图3、GTR模块的等效电路 2、特性参数 1）输岀特性与电流增益 GTR的共射极

4、输出特性如图4所示。可分为四个区，即：阻断区、线性区、准饱和区及 深饱和区。用作开关时，应尽量避免工作于线性区，否则功耗很大。进入深饱和区，虽功耗 小，但关断时间长且安全工作区变窄.因此一般工作于准饱和区。饱和压降VCES是一重要参 数，它越小，GTR的功耗越小。VCES随IC和温度的增加而增大。 图4、共射极电路输出特性 GTR的共射极电流增益B随集电极电流IC和结温Ti变化，如图5所示。可见，大电流 时沒下降，限制了 GTR的电流容量。 图5、Bic关系曲线 2）开关特性 开关过程可分四个阶段：开通过程、导通状态、关断过程、阻断状态。GTR开关过程的 电流波形如图6所示。其中，开通时间to

5、n包括延迟时间td和上升时间tc,关断时间toff 包括存储时间ts和下降时间ti。一般开关时间越短，工作频率越高。为缩短开通时间，可选 结电容小的管子或提髙驱动电流的幅值和陡度。为缩短关断时间，可选B小的管子，防止深 饱和，增加反偏电流等。 图6、GTR开关过程的电流波形 电压上升率dv/dt和电流上升率di/dt会影响开关过程。为防止过高的dv/dt或di/dt对 GTR造成危害，一般应加接缓冲电路。 3）二次击穿与安全工作区 二次击穿是集-射电压突然变低而电流激增的现象。GTR的二次击穿特性如图7所示，包 括发射结正偏、开路和反偏三种情况。其中正偏二次击穿对GTR的威胁最大。 O 图7、GTR的二次击穿特性 安全工作区SOA是指GTR能够安全运行的电流、电压、功耗的极限范围，分为正偏安全 工作区和反偏安全工作区，如图8所示。英中正偏安全工作区受最大集电极电流ICM、最大 耐压BVCEO、最大允许功耗PCM和二次击穿触发功率PS/B的限制。DC为直流情况，虚线 为脉冲情况，反向偏宜安全工作区受最大集电极电流、集-射维持电压和二次击穿功率的限 制。来自海洋兴业仪器。 ,cJG 图8、正偏安全工作区 4）其他特性参数 主要有集电极电压最大值、发射极电压最大值、集电极电流最大值ICM、基极电流最大 值IBM、最大功耗PCM