晶体_电力晶体管GTR的开关特性详解

电力晶体管gtr概述

功率晶体管是双极型大功率高反向电压晶体管，由于其功率非常大，故又称巨大晶体管，又称GTR。 GTR由三层半导体材料的两个PN结构成，三层半导体材料的结构形式可以是PNP也可以是NPN。 许多双极功率晶体管在重掺杂的N+硅衬底上通过外延生长法在N+上生长n漂移层，在漂移层上扩散p基极区域，接着扩散N+发射极区域。 这叫做三重扩散。 基极和发射极在平面上形成交叉指形，以减少电流集中并提高装置的电流处理能力。

GTR分为NPN型和PNP型，有单管GTR、达林顿型GTR (复合管)和GTR模块的几种形式。

单管GTR饱和电压降VCES低，开关速度稍快，但电流增益β小，电流容量小，驱动功率大，用于小容量的逆变器电路。

达林顿式GTR的电流增益β值大，电流容量大，驱动功耗小，但饱和电压降VCES高，关断速度慢。 与单管GTR一样，达林顿式非模型GTR在现代逆变器电路中很少被应用。 广泛使用的是GTR模块。 这是将2根或4根、6根，甚至7根单管GTR或达林顿式GTR的冲模封入一个封装内，分别构成单桥臂、单相桥、三相桥和带排泄管的三相桥形式，封装绝缘，设计和采用

在倒相电路中，GTR都在发射极状态中操作，其输出特性曲线指的是集电极电流IC与电压VCE、基极电流IB之间的关系。

功率晶体管gtr参数

(1)开路截止电压UCEO :基极开路时集电极-发射极之间能够承受的电压值。

(2)集电极最大持续电流ICM :基极被正向偏置时集电极能够流过的最大电流。

(3)电流增益hFE :集电极电流与基极电流之比称为电流增益，也称为电流放大率或电流传输比。

(4)集电极最大耗散功率PCM:GTR是指在最高允许结温下消耗的功率，由结温度限制，其大小由集电极工作电压和集电极电流的积决定。

(5)导通时间ton :包括延迟时间td和上升时间tr。

(6)关闭时间toff :包括存储时间ts和下降时间tf。

电力晶体管的特点

l、输出电压

由于采用脉冲宽度调制方式，因此输出电压成为振幅与直流电压相等的强脉冲序列。

2 .载波频率

由于功率晶体管的导通和截止时间长，所以容许载波频率低，大部分逆变器的上限载波频率约为1.2~1.5kHz左右。

3 .电流波形

由于载波频率低，电流的谐波分量大。 这些高次谐波电流在硅钢板上形成涡电流，硅钢板之间因电磁力而振动，产生噪音。 另外，由于载波频率位于人耳对声音敏感的地区，因此电机的电磁噪声强。

4 .输出转矩

由于电流中的高次谐波成分较大，因此在50Hz时，电动机轴上的输出转矩与商用频率运转时相比稍微变小。

电力晶体管gtr的特性及应用

GTR的特性曲线分为5个区。 I区为截止区，IB=0，IC较小，为CE漏电流。 II区域是线性放大区域，当IB增加时，IC也追随IB线性增加。 随着VCE持续减小，IC不再增长，进入深度饱和区，即第IV区。 此时的VCE被称为GTR的饱和电压降，用VCES表示，比GTO和VMOSFET低。 v区是破坏区

VCE增加到一定值后，即使IB不增加，IC也会增加，此时的VCE是GTR的一次破坏电压。 VCE持续增加时，IC也增加，GTR具有负阻特性，因此结温度上升时，IC进一步变大。 由于模头整体的电导绝对不均匀，所以大的IC会产生集中的热点，发生雪崩击穿，IC急剧增加。 此时，即使降低VCE也不会白费，快速增加的热量不能散发，只要短时间(几微秒到几纳秒)，GTR就会永远烧毁。 这是GTR的二次破坏现象，是GTR最致命的弱点，也是限制GTR发展和进一步推广的最重要原因之一。

功率晶体管GTR通常用作功率开关，要求足够的电容(高电压、大电流)、适当的增益、高操作速度、低功率损耗等。 但由于功率晶体管功率损耗大、工作电流大，存在基极区注入效应、基极区扩散效应、发射极电流集中效应等特点和问题。

基极区域的最大注入效果是这样的现象，即，当基极区域中的少数载波浓度达到或超过掺杂浓度时，设备注入效率下降，少数载波扩散系数增大，体内的少数载波寿命下降，并且GTR的电流增益受到很大影响。

基极区域扩展效果是在大电流条件下有效基极区域变宽的效果。 器件以小电流状态工作时的集电极接合宽度主要由基极区域的掺杂浓度决定，因此，其增益β值一定，但是，在大电流条件下，基极区域中的少数载波大量增加，集电极接合宽度收缩，因此，有效基极区域变宽。 基极区域的扩展降低了注入效率、降低了增益β、降低了特征频率。

发射极电流集中效应也称为基极电阻自偏置效应，多数情况下是由于基极区域的横向电压降使发射极电流分配变得不均匀。 在此情况下，电流的分布大量集中在接近基极的发射器周围，从而导致电流的局部集中，从而导致局部过热。

因此，为减弱上述三种物理效应的影响，必须采取结构适当的措施，保证适合大功率用途的需求。

电力晶体管GTR开关特性的细节

晶体管有线性和开关两种工作方式。 只需要接通和断开的作用时，采用开关动作方式。 GTR主要应用于开关操作人员。

①开关响应特性

在开关操作方案中，用恒定前向基准电流IB1驱动GTR导通，并且用另一反向基准电流IB2强制GTR关断。因此，用于开关的GTR不是理想的开关。

延迟时间TD :从加入IB 1开始的一段时间内，直到iC保持断开状态时的微小电流上升到0.1I CS为止。

上升时间tr:iC上升，直到iC=ICS、GTR变为饱和状态。 tr是iC从0.1ICS上升到0.9ICS所需要的时间。 导通时间ton :延迟时间td与上升时间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不立即减小，并且在保持iCS的同时，经过一段时间后基极电流IC下降。

蓄积时间ts :使基极电流从正方向IB1变化为反方向IB2时，iC降低到0.9ICS为止的时间。

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

此后，iC继续下降直至接近反饱和电流，此时GTR完全返回截止状态。

GTR关断时间toff :存储时间ts与下降时间tf之和，即

toff=ts+tf

GTR的开关时间对其应用有很大影响，因此在选择GTR时必须注意所述开关频率。 输入脉冲的持续时间应大于GTR开关时间。

改善措施

为了迅速导通GTR，为了缩短导通时间ton，驱动电流必须具有一定振幅，前端陡峭的正向驱动电流加速GTR的导通，为了加速GTR关断，缩短关断时间toff，驱动电流必须具有一定宽度的反向驱动电流

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