《电力电子技术》课件-2.4 电力晶体管GTR的使用及检测

电力晶体管GTR的使用及检测—电力电子器件—GTR的结构与工作原理第一章GTR的基本特性第二章目录页GTR的主要参数和安全工作区第三章GTR的驱动与保护第三章GTR的检测第三章电力晶体管GTR的使用及检测GTR的结构与工作原理电力晶体管GTR，俗称巨型晶体管，由于GTR中存在电子和空穴两种载流子，所以又称之为双极型功率晶体管。GTR和GTO一样具有自关断能力，属于电流控制型自关断器件。GTR可通过基极电流信号方便地对集电极-发射极的通断进行控制，并具有饱和压降低、开关性能好、电流较大、耐压高、大功率以及高反向电压等优点，在耗散功率1W以上的到数百千瓦的电子设备中使用广泛。电力晶体管GTR的使用及检测GTR的结构与工作原理电力晶体管的结构与小功率晶体管非常类似，漏感使输出电流脉冲前沿陡度受到限制，有三个电极分别为基极B、集电极C、发射极E；有两种基本类型，NPN型和PNP型。GTR的结构图、电气符号、正向导通原理图如图所示。图

GTR的结构图、电气符号、正向导通原理图（a）结构剖面示意图（b）电气符号（c）正向导通原理图电力晶体管GTR的使用及检测GTR的结构与工作原理若外部电路使UCB>0，则集电结的PN结处于反偏状态;UBE>0，则发射结的PN结处于正偏状态。则有UBC<0，集电结处于反向偏置，形成反向饱和电流ICBO，从N区流向P区。UBE>0，发射结处于正向偏置，P区的多数载流子一空穴不断地向N区扩散形成空穴电流IPE，N区的多数载流子一电子不断地向P区扩散形成电子电流INE。由于晶体管的基区很薄，基区体积小，空穴数量不多，空穴向N区扩散形成的电流IPE也小，可近似为IPE=0。而发射区掺杂浓度高，有大量多数载流子电子经发射结不断地扩散到P区。电子带负电，电流的正方向应与电子运动方向相反，因此，从N区扩散到P区的电子流所对应的电流INE应是从P区经发射结流向N区，由于发射极电流IE应为IPE和INE之和，故INE≈IE。电力晶体管GTR的使用及检测GTR的基本特性静态特性

晶体管有放大、饱和与截止三种工作状态。①截止区：GTR的e结和c结均承受高反偏电压，相当于开关断开。

②放大区：e结正偏、c结反偏，此时GTR功耗很大。

③饱和区：特点是e结和c结均正偏。GTR饱和导通，相当于开关闭合。

GTR作开关时，其断态工作点须在截止区，通态工作点须在饱和区。电力晶体管GTR的使用及检测GTR的基本特性共射极电路的输出特性曲线

电力晶体管GTR的使用及检测GTR的主要参数◆电流放大倍数

、直流电流增益hFE、集电极与发射极间漏电流Iceo、集电极和发射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff

◆最高工作电压☞GTR上所加的电压超过规定值时，就会发生击穿。☞击穿电压不仅和晶体管本身的特性有关，还与外电路的接法有关。

☞发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压BUcbo

基极开路时集电极和发射极间的击穿电压BUceo

发射极与基极间用电阻联接或短路联接时集电极和发射极间的击穿电压BUcer和BUces

发射结反向偏置时集电极和发射极间的击穿电压BUcex

且存在以下关系：☞实际使用GTR时，为了确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。电力晶体管GTR的使用及检测GTR的主要参数◆集电极最大允许电流IcM☞规定直流电流放大系数hFE下降到规定的1/2~1/3时所对应的Ic。☞实际使用时要留有较大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。◆集电极最大耗散功率PcM

☞指在最高工作温度下允许的耗散功率。☞产品说明书中在给出PcM时总是同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。

电力晶体管GTR的使用及检测GTR的二次击穿现象和安全工作区◆当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。◆发现一次击穿发生时如不有效地限制电流，Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的陡然下降，这种现象称为二次击穿。◆出现一次击穿后，GTR一般不会损坏，二次击穿常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变，因而对GTR危害极大。

电力晶体管GTR的使用及检测GTR的二次击穿现象和安全工作区◆安全工作区（SafeOperatingArea——SOA）

☞将不同基极电流下二次击穿的临界点连接起来，就构成了二次击穿临界线。☞GTR工作时不仅不能超过最高电压UceM，集电极最大电流IcM和最大耗散功率PcM，也不能超过二次击穿临界线。

SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMGTR的安全工作区电力晶体管GTR的使用及检测GTR的驱动与保护GTR对基极驱动电路的要求（1）开通需要使用具有一定幅值的信号，前沿要陡，并有一定的过饱和电流，这样将缩短开通时间，减小开通损耗；（2）输入脉冲持续时间大于GTR开关时间；（3）导通后驱动电流需要减小到使器件处于临饱和的状态，以便于关断、减小存贮时间、降低导通饱和压降；（4）关断时需要提供较大的反向基极电流，和较大的电流变化率，缩短关断时间和损耗；（5）实现主电路与控制电路间的电隔离；（6）应有较强的抗干扰能力，并有一定的故障保护功能，在主电路发生过热、过压、过流等故障时，迅速切断驱动信号。电力晶体管GTR的使用及检测GTR的驱动与保护

GTR的缓冲电路

与GTO的缓冲电路相同，由于电路中有电感的存在，在半导体器件关断时，往往会在期间上产生很高的过电压，反向偏置二次击穿，缓冲电路将起到重要的保护作用，并可减小关断损耗，常见的缓冲电路主要有RC缓冲电路、充放电型R、C、VD缓冲电路和阻止放电型R、C、VD缓冲电路三种形式，如图所示。（a）小容量GTR的RC缓冲电路

（b）充放电型缓冲电路

（c）阻止放电型缓冲电路电力晶体管GTR的使用及检测GTR的驱动与保护

GTR的过电流、短路保护

GTR承受浪涌电流能力较弱，工作频率高，快速熔断器不能对其进行有效的保护，在驱动电路中采用过流、短路保护是最有效的方法之一。

由于GTR在饱和导通时管压降UCE很小，当过流时，基极提供的电流不足，将使晶体管推出饱和，UCE增高，晶体管电压电流都很大，容易发生二次击穿，损坏GTR，此时若能对UCE进行检测，当其升高到一定值时，关断GTR可有效的起到保护作用。

当IB一定时，UBE随IC的增大而升高，在当发生短路时，对UBE的监控将起到比UCE更有效地作用。电力晶体管GTR的使用及检测GTR的检测（1）管脚识别

通常把最大集电极电流或最大集电极耗散功率的晶体管称为大功率晶体管，多用于大电流、高电压的电路。一般分为金属壳封装和塑料封装两种，常见外形