电力晶体管的原理和特点是什么?

电力晶体管的原理和特点是什么?

结构
电力晶体管(GiantTransistor)简称GTR，结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。GTR由三层半导体、两个PN结组成。和小功率三极管一样，有PNP和NPN两种类型，GTR通常多用NPN结构。

工作原理

在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。GTR通常工作在正偏(Ib＞0)时大电流导通；反偏(Ib＜0＝时处于截止状态。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。

0　引　言　　
　　大功率晶体管（GTR）是第二代功率半导体器件，它克服了晶闸管不能自关断与开关速度慢的缺点，简化了变频传动和其它带逆变环节的交流器的换相，降低了体积，且可节能，是电力电子装置的关键器件，广泛地应用于载波器、稳压电源以及交直流电机调速领域。然而GTR比较娇嫩，容易损坏，不能承受超过其额定值的浪涌电压与电流的冲击，即使时间很短（微秒级）也可能对它造成损坏，用快速熔断器或快速断路器是不能对其保护的。
　　在电力电子装置中，GTR实际上是一个静止式的无触点开关，它的通断受基极驱动电流的控制。作为开关器件，存在着开通时间t_on与关断时间t_off，相应地存在着开通损耗与关断损耗。一般认为，GTR损坏的主要原因之一是GTR退出了饱和区，进入了放大区，使得开关损耗太大。减小GTR的开关损耗就是要提高工作频率，降低结温，扩大安全工作区，提高性能指标。
　　GTR应用的关键技术是如何成功地对GTR进行保护，它直接决定着变频器和逆变器质量的优劣。鉴于在主电路中通过设置霍尔元件检测故障电流来实现短路保护，比在驱动电路中设置自保护响应慢些，一般是在驱动电路中实现对GTR的自保护。因此，设计性能良好的驱动电路是GTR安全可靠运行的重要保障。

1　基极驱动电路设计原则
1．1　驱动问题
　　驱动的作用是使GTR可靠的开通与关断，设计基极驱动电路时应考虑采用基极优化驱动方案。所谓优化驱动，就是以理想的基极驱动电流波形去控制GTR的开关过程，如图1所示。

　　
　　从图1可以看出，优化驱动特性具有以下几点品质：
　　a．正向驱动电流的上升沿要陡，要有一定时间的过驱动电流I_b1，I_b1的数值选为准饱和基极驱动电流值I_b2的2倍左右，过驱动时间为几个μs，以使GTR迅速开通，减小t_on。
　　b．GTR被驱动后，其基极驱动电流应能自适应负载参数的变化，只要GTR处于正常工作状态下，基极驱动电路提供的基极电流都能保障GTR处于临界饱和状态，以减小基极损耗，缩短存储时间t_s。

　　c．关断时，驱动电路能为GTR基极—射极间提供一反向电流，以迅速抽取基区存储电荷，减小t_off。关断初始电流I_b3一般为I_b1的2～3倍，I_b3太22大则会产生基极电流的尾部效应，反而增加关断损耗，不利于GTR的关断，使其反向安全工作区减小，一般为正向驱动电流的2倍值或相等。由外施偏置形成此反向抽取电流时，其供电电压必须限制在GTR的U_EBO以下，但要加足以防止GTR的反向导电。
　　为了获取上述优良的驱动特性，我们常采用以下一些措施：
1．1．1　用加速电容以减小三极管的开通与关断时间。如图2为采用加速电容的驱动电路原理图。正向驱动时，C将R₁短路，可以给GTR提供峰值较大的初始强驱动电流为：
　　                                            （1）　　

　
　　随着C充电的逐渐增加，驱动电流i_B也越来越小，C充满电时，GTR正常导通，此时，基极电流为：
　         　I_B＝（E－U_BE）／（R₁＋R₂）（2）

　　上式I_B的值应大于I_C／β，才能保证GTR处于饱和状态，β为GTR的直流放大倍数。
　　电路达到稳态时，C上电压值为：

  (3)
　　关断时，利用C上的电压值为GTR基—射间提供负压，加速GTR截止。
1．1．2　利用贝克钳位技术减小存储时间t_s。如图3是贝克钳位技术电路图。这种电路由2部分组成：第1部分包括溢流二极管D₁和电位抬高二极管D₂。正向驱动时，基极电流流经二极管D₂，设D₂的正向压降等于U_F，则图中A点电位U_A关断及溢流二极管D₁承受的电压U_D1分别为：
                     U_A＝U_F＋U_BE（4）

                 U_D1＝U_A－U_CE＝U_F＋U_BE－U_CB（5）

　　在GTR的放大区，集电极电压U_CE很高，U_D1为负，二极管D₁不工作，当GTR进入临界饱和区，则：

　　U_BE＝U_CE（6）
由式（6）可知：
　　U_D1＝U_F（7）
　　若二极管D₁的正向压降也等于U_F，则此时二极管D₁导通，多余的基极电流通过D₁溢流，从而使GTR始终工作在临界饱和区。
　　第2部分为二极管D₃，由于接入了二极管D₂，必须同时并联二极管D₃，它为反向基极电流提供通道。
　　在GTR的基极上多串几个电位抬高二极管可以使GTR工作在放大状态，进一步改善储存时间。但是储存时间的改善是以增加通态损耗为代价的，增加了的U_CE使通态损耗变大。因此，设计时应在储存时间t_s的改善与功率耗散间折衷考虑，还应注意到储存时间的改善与U_CE的大小并非成正比，当U_CE增加到一定程度后，储存时间随U_CE的增高减小很少。试验表明，U_CE＞4 V时，储存时间改善很少，而当U_CE＞8 V时，几乎看不到储存时间的改变。

　　这个电路的缺点是：由于引入了电位抬高二极管，B点信号与A点相比有一定的延时。改进后的贝克钳位电路如图4所示。图4中T₁，T₂是驱动电路的功放级，由于它们工作在射极输出状态，使从A点到B点的信号失真很少，也保障了足够大的驱动电流。与此同时，T₁的基射压降将A点电位抬高，代替了图3中二极管D₂的作用，它与溢流二极管D₁协同使GTR工作在临界饱和状态，反向抽取基极电流流过T₂。
　　从上述分析可知，这2种电路具有减少t_s，降低GTR基极损耗的优点。贝克钳位电路仅利用了二极管这一电子元件给GTR的开关性能带来了许多改善，二极管的合理选取，关系到贝克钳位电路能否正常工作，以下是供电路设计者参考的准则：
　　　

　
　　a．D₁由于它接在GTR的集电极，因此必须选取耐高压二极管，它的电压额定值至少与GTR的U_CEO、U_CER额定值相等。否则，当GTR关断时，D₁阻断不了主电路电压，造成D₁击穿，把高压引入驱动电路而造成对驱动板的损害。对图3所示的接法，要求D₁的电流额定值与全部基极驱动电流相等，以免GTR负载小时，由于D₁过热而导致运行失效；对图4所示的电路，D₁的额定值应大于或等于T₁的最大基极电流，它必须是快恢复二极管（200 ns或更小），最好为GTR关断时间t_off的1／10，因为在D₁的反向恢复时间t_rr内，电流从GTR集电极流向基极或驱动电路中，可能会使GTR误导通，而造成i_c出现振荡波形，此恢复电流对基极驱动电路的元件也是有害的。
　　b．D₂应为低压元件，电压额定值只要与基极驱动源电压相等就可以了。如用高压元件，其速度比低压管慢得多，妨碍了GTR的快速导通，其基极电流额定值应与基极驱动电流相等。GTR反向关断时，在D₂的反向恢复时间t_rr内，可以为GTR反向抽取电流提供一条通路。因此，D₂的反向恢复电流可以加速GTR关断，故不必选用快恢复二极管。
　　c．D₃的作用是为反向基极电流提供一条通道，它只在晶体管储存时间内导通。在实际应用中，由于储存时间比正向基极电流的脉宽要小得多，所以其电流额定值可以比D₂小很多。
1．2　隔离问题
　　隔离是使脉冲形成部分与脉冲功能部分无电的联系。在电路中主要有2方面的作用：a．可以减小对控制信号的干扰；b．主电路或驱动电路故障不会造成控制电路的损坏。常用的隔离器件有光电耦合器、变压器等。
    由于光电耦合器具有体积小、价格低、灵敏度高、隔离度高的特点，所以是GTR驱动器隔离级的理想器件。电信号的传递是通过光束来进行耦合的，所以光电耦合器件的输出端对输入端无反馈影响，而且频带宽、失真小，又很容易地将2个不同电位的电路系统联系起来。驱动电路中光电耦合器的选取应遵从以下2个原则：
　　a．光电耦合器应当选用高速型光耦，用普通型光耦响应速度相对慢，关断时间一般为5～10μs，在信号传输上就产生了一个延时，而且可能出现开通与关断延迟时间不等的现象。因此在桥式逆变电路中，会使同一桥臂上下2个GTR关断时间（封锁时间）得不到保证。
　　b．由于光耦的寄生分布电容的影响，在高的共模电平下，会使光耦输出一个窄脉冲，这个窄脉冲有可能使GTR组成桥式电路运行时发生直通现象。一般的解决措施是加惰性抗干扰电路把窄脉冲吃掉，但由此带来的影响是使隔离级速度变慢，因此，必须选择抗干扰能力强的光耦。
1．3　保护问题
　　GTR能通过的最大电流比额定电流高不了多少，因此，对GTR的保护就成了应用的难题，GTR的保护一般是在驱动电路中实现对GTR的自保护。其保护电路的形式依赖于逆变器是电压源供电还是电流源供电。电流源逆变器易于实现负载短路保护，如发生短路现象时，可将所有晶体管开通，以最大限度地发挥电流承受能力，并且把可控整流桥拉入逆变，使存储在电感中的能量逆变回电网；实现开路保护则很困难，必须设置电压钳位电路以限制dv／dt，并使尖峰电压值小于晶体管的击穿电压。电压型逆变器实现开路保护容易，实现短路保护难度大些，一般是利用GTR可自关断的特点，故障一旦检出，就迅速关断GTR器件。
一般认为GTR损坏的主要原因有：
　　a．瞬态过压。由于感性负载或布线电感的影响，GTR关断时会产生瞬态电压尖峰。瞬态过压是GTR二次击穿手主要原因，它的防护一般是给GTR并一RC或RCD网络，消除峰值电压，改善GTR开关工作条件。
　　b．过流。流过GTR的电流超过最大允许电流I_CM时，可能会使电极引线过热而烧断，或使结温过高而损坏。检测过流信号是技术难点，检测到过流信号后，通常是关闭GTR的基极电流，利用GTR42的自关断能力切断电路。
　　c．退饱和。GTR的电路中工作在准饱和状态，但也可因外部电路条件的变化，使它退出了饱和区，进入了放大区，使得集电极耗散功率增大。
　　退饱和与过流是2种不同现象。我们知道，GTR饱和的条件是I_B≥I_C／β。因此，即使I_C没达到过流整定值，若I_B减小或β减小，也会产生退饱和现象。
　　退饱和保护与过流保护相似。即在故障发生时，利用GTR的自关断能力切断电路。在一定条件下，退饱和保护可以取代过流保护。条件是退饱和保护比过流保护先动作。
　　在驱动电路中实现退饱和保护，依据检测对象的不同，可分为U_BE监测法或U_CE监测法，原理相同，都是利用i_c升高时，U_BE和U_CE都会升高这一特点，若其超过U_BE或U_CE设定值就自动关断GTR驱动电路。由于U_BE变化不如U_CE变化敏感，工业上一般采用U_CE监测法对GTR进行保护。

2　GTR退饱和保护电路应用时应注意的几个问题
2．1　设置合适的启动脉冲宽度
　　采用U_CE监测法的自保护驱动电路，都存在一个保护死区，即在GTR启动脉冲区段。开启时，U_CE很高，保护电路不能打开，否则，就不能正常驱动GTR，只有等到GTR充分导通后才能打开保护电路。因此，当逆变桥输出口长时间短路时，GTR则会受到启动脉冲区段内的短路电流冲击。该电路能否对GTR实现短路保护，就取决于此时死区功率损耗是否超过了GTR的承受能力。
　　GTR存在一个安全工作区（ASO），在脉冲工作状态下，ASO有所扩展，脉冲宽度越窄，ASO区域就越大。理论上，启动脉冲宽度最好为GTR出厂时标称最小导通时间t_on，但由于管子参数差异和驱动条件的不同，一般启动脉冲宽度应大于t_on，启动脉冲宽度由试验决定，调整到GTR恰好导通时的最短时间。同时在主电路中应增设其它一些辅助保护措施，当GTR逆变器启动阶段短路时，就封锁驱动电路，防止保护死区内长时间短路电流冲击。
2．2　整定GTR退饱和时合适的U_CE设定值
　　从GTR的输出特性可知，由于外电路条件的不同，GTR可有3种工作状态：截止、饱和与放大。作为开关器件的GTR，在电路中只能处于截止或饱和状态。为了提高电路的工作频率，GTR一般应工作于准饱和状态，驱动电路中采用贝克钳位电路后，GTR不会工作于深饱和状态下；GTR也不能工作于放大区。因此，GTR在应用时，必须先了解它的放大倍数β，正确估算基极驱动电流I_b，避免I_b不足而使GTR过早进入放大区，如点C；避免I_b过大而增加驱动电路元件定额（参见图5）。
　　U_CE不能设置过低，避免GTR仍在准饱和区内运行就关断了驱动电路，没有充分利用GTR的定额，如点A；而设置过高，则GTR已经饱和区，而退饱和区保护没有动作，易造成GTR的损坏，如点B。U_CE的大小可根据实验方法确定。一般而言，U_CE取3～5 V是比较合适的。
2．3　提高抗干扰能力
　　在桥式电路中，布线电感对逆变器的干扰很大，常常使逆变器不能工作，可采取以下2点措施：
    a．加大直流侧滤波电容。

    b．减短导线长度，尽量平和走线，把电流一进一出的导线绞在一起。