第5章 电力晶体管GTR

电力晶体管（GTR）

5.1

GTR的结构和工作原理

5.2

GTR的基本特性

5.3

GTR的主要参数

5.4

GTR的驱动第5章术语用法：电力晶体管（GiantTransistRr——GTR，直译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的晶体管（BipRlar

JunctiRn

TransistRr——BJT），英文有时候也称为PRwerBJT。在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。

应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MRSFET取代。GTR的结构和工作原理5.1图5.1GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动

a)内部结构断面示意图b)电气图形符号c)内部载流子的流动5.1与普通的晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。GTR的结构和工作原理在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为

——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力当考虑到集电极和发射极间的漏电流IceR时，ic和ib的关系为ic=

ib+IceR产品说明书中通常给直流电流增益hFE——在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。一般可认为hFE

。单管GTR的

值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。5.1GTR的结构和工作原理

(1)

静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区图5.2共发射极接法时GTR的输出特性GTR的基本特性5.2(2)

动态特性开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程。图5.3GTR的开通和关断过程电流波形5.2GTR的基本特性关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff

。ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。5.2GTR的基本特性图5.3GTR的开通和关断过程电流波形

前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流IceR、集射极间饱和压降Uces、开通时间tRn和关断时间tRff

(此外还有)：

1)

最高工作电压

GTR上电压超过规定值时会发生击穿击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比UceR低得多。GTR的主要参数5.32)

集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。

3)

集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。5.3GTR的主要参数GTR的驱动电路5.41.GTR对基极驱动电路的基本要求

GTR的基极驱动电路可分为直接驱动和隔离驱动两种方式。直接驱动方式是指驱动电路与主电路之间直接连接。隔离驱动方式则是指驱动控制电路与主电路间没有电的联系，驱动信号是通过隔离元件间传送的。相比较而言，隔离驱动方式由于具有一定的抗干扰能力，安全性高，在实际中应用较多。GTR的驱动电路5.4通常，GTR驱动电路应满足以下基本要求：1）控制开通GTR时，驱动电流前沿要陡（小于1并有一定的过冲电流，以缩短开通时间，减小开通损耗。

），2）GTR导通后，应相应减小驱动电流，使GTR处于准饱和导通状态，且使之不进入放大区和深饱和区，以降低驱动功率，缩短储存时间。3）GTR关断时，应迅速加上足够大的反向基极电流，迅速抽取基区的剩余载流子，确保GTR快速关断，并减小关断损耗。5）GTR的驱动电路要具有自动保护功能，以便在故障状态下能快速自动切除基极驱动信号，避免GTR遭至损坏。

GTR的驱动电路理想的GTR基极驱动电流波形如图5.5所示。图5.4理想的基极驱动电流波形5.4其中是GTR的基极电流初始值，是GTR导通后并恰好运行于准饱和状态时的正向电流值，是当GTR在关断时所需施加的、足够大的基极反向电流值。GTR的驱动电路5.42、贝克钳位电路.为了提高GTR的工作速度，都以抗饱和的贝克钳位电路作为基本电路。它使GTR工作在准饱和状态，提高了器件开关过程的快速性能，因此成为一种被广泛采用的基本电路。电路的具体形式如图5.5所示。利用此电路再配以固定的反向基极电流和固定的基极－发射极反向偏压，即可获得较为满意的驱动效果。图5.5贝克钳位电路GTR的驱动电路5.4基极驱动电流信号由A点分三路与GTR相连接。二极管VD1与GTR的集电极相连，保证在正向驱动状态C点比A点电位低一个二极管压降的数值，这样GTR的集电极至多处于零偏置状态而决不会出现正偏置状态，即GTR不可能进入深饱和区。二极管VD1称为钳位二极管，它相当于一个溢流阀的作用，使过量的输入驱动电流不会全部流入GTR的基极，而经VD1分路至GTR的集电极一部分，从而保证GTR始终处于准饱和状态。这样明显地降低了存储时间，提高了GTR的开关速度。图5.5贝克钳位电路GTR的驱动电路5.4基极支路中串连的二极管VD2和VD3用来调整GTR的基极电流数值，从而可以改变GTR的饱和程度。与VD2、VD3反并联的二极管VD5为反向抽走基区载流子提供了电流通路，从而加快了GTR的关断过程。图5.5贝克钳位电路GTR的驱动电路图5.6基极驱动电路实例15.43.基极驱动电路实例

1）由分立元件组成的驱动电路GTR的驱动电路5.4图5.6是一种高效自保护GTR基极驱动电路。它不但能对GTR电路的过载提供快速可靠的保护，而且可以改善GTR的开关特性，缩短开关时间，降低驱动功率和提高驱动效率。电路由信号隔离电路、过载检测电路、控制信号综合电路和自适应双极性输出电路组成。图5.6门极驱动电路实例1GTR的驱动电路5.4

信号隔离电路由发光二极管和晶体三极管组成，它将逻辑控制电路与驱动电路进行了电气隔离并且将信号进行预放大。

过载检测电路由二极管VD6和比较器311组成。当GTR集射极间管压降高于某一规定值时，比较器311发出过载保护信号。控制信号综合电路由三极管VT2构成，其任务是将正常的开关驱动信号与过载禁止信号叠加处理后送给输出级。自适应双极性输出电路由三极管VT3、VT4、VT5和二极管VD7组成，它起到提高开关速度的作用。GTR的驱动电路5.4该电路采用了自适应驱动方式，它由跨接在GTR集电极和晶体管VT5基极之间的二极管VD7来实现。当GTR导通后，E点电位低于D点电位时，VD7导通。由于VD7的分流作用使VT5的基极电流下降，导致GTR的基极驱动电流下降，GTR饱和程度减小，进而又使E点电位回升。由于VD7的管压降与VT5发射结压降近似相等，所以通过以上的自动调节过程使GTR的，即在0.7V左右，由此来保证GTR工作于准饱和区。GTR的驱动电路5.4与图5.5所示的基本贝克钳位电路相比，自适应驱动方式省掉了串联二极管VD3和反并联二极管VD5，并且由于对基极的分流是在前级驱动管VT5的基极进行的，在GTR轻载时流过VD2的电流比贝克钳位电路中流过VD1的电流小得多，减小了驱动电流的损失，因而有利于驱动效率的提高。该电路能够在驱动电路中实现GTR本身过载的快速保护，在GTR导通期间不允许其管压降过高，能够避免造成功耗过大。电路中的一些辅助元件如光电耦合器、加速电容、泄放电阻以及由二极管VD3和VD5组成的VT3管抗饱和电路等均可减少驱动电路本身的开关时间，进而改善主电路的开关波形。GTR的驱动电路5.42）集成化基极驱动电路由分立元件组成的基极驱动电路都存在着电路组件多、电路复杂、稳定性差和使用不便等缺点。大规模集成化基极驱动电路的出现不但解决了这些问题，同时还增加了电路保护功能。

UAA4002是法国THOMSON公司生产的专业集成化基极驱动电路芯片，是大规模集成化基极驱动电路的典型代表。它的完善的设计使其可对被驱动的电力晶体管实现过电流、最大导通时间、最小导通时间、欠饱和、过饱和及驱动电源正负电压欠电压保护和芯片自身工作温度的检测和保护等功能。GTR的驱动电路5.4（1）UAA4002的主要设计特点①可为用户脉冲形成部分与被驱动的功率晶体管之间提供理想的匹配。它是一个智能接口，其输入与TTL电平及CMOS电平均兼容，其输入信号与输出信号之间的延时时间可人为调节。②能把接收到的、以逻辑信号输入的功率晶体管的导通信息，转变为加到功率晶体管上的基极电流，来保证开关晶体管运行于临界饱和的最佳状态，从而显著减少了开关晶体管关断过程中的存储时间。UAA5002可为开关晶体管提供一个最大为0.5A的正向基极驱动电流，且电路自身的设计保证了这一电流值可以通过增加一个或几个外部晶体管加以放大。③可为开关晶体管提供一个幅值为3A的反向基极电流，这一电流值足以使晶体管快速关断，保证了晶体管集电极电流的下降时间极短，从而显著减少了关断损耗。同样，反向基极电流亦可增加一个或几个外部晶体管来放大。④应用封装于它内部的高速逻辑处理器来保护开关晶体管。在晶体管导通过程中，该处理器监控晶体管的集射结饱和压降和晶体管的集电极电流，同时也监控本集成块工作的正负电源电压和芯片的工作温度。该逻辑处理器的最大和最小导通时间可由用户设定。⑤UAA4002的有些功能是可删除的，用户可根据实际需要取舍。GTR的驱动电路5.4（2）引脚排列、名称、功能和用法UAA4002为标准双列直插式16引脚封闭的集成电路，它的引脚排列见图5.7。各引脚名称、功能和用法见表5.1。图5.7UAA5002管脚5.4引脚号符号功能用法1IB2反向基极驱动电流输出端直接驱动电流为50A以下的达林顿管时，直接与被驱动的功率管的基极相连；经功率放大后驱动电流为50A以上的达林顿管时，接功率放大单元第一级的PNP管基极2－UCC负电源电压输入端电压的合适值为－5～－5V3INH删除或降低功率晶体管导通能力控制端系统不需用此功能时，将该端接地5SE工作方式选择控制端有“电平”和“脉冲”两种工作方式5E功率晶体管的基极驱动信号输入端接光耦合器或脉冲变压器的二次侧，实现与脉冲形成部分的隔离6

R—负电源电压监控保护动作电平设置端通过外接电阻r—与负电源相连7

RT控制端，是内部偏置电流与逻辑处理器工作时间设置端可通过一外接电阻rT接地8

CT最大导通时间ton(max)设置端通过一外部电容接地9GND接地端提供整个UAA5002工作的参考地电平10RD的延时通过外接电阻rD接地11

RSD被驱动的功率晶体管退饱和保护门槛设置端通过外接电阻rSd接地12IC功率晶体管集电极电流限制保护输入端直接接到晶体管发射极的分流器或电流互感器的一个输出端13UCE被驱动的功率晶体管集电极与发射极间电压检测输入端通过正极接到该端，负极接到功率晶体管集电极的二极管与被驱动的晶体管相连15＋UCC正电源电压输入端通常取10～15V15U＋输出级电源输