42功率晶体管 O术语用法: 功率晶体管( Giant transistor--GTR,直译为巨型晶体 管) 耐高电压、大电流的双极结型晶体管( Bipolar Junction Transistor—BJT),英文有时候也称为 Power bjt 在电力电子技术的范围内,GTR与BJT这两个名称等效 O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 MOSFET取代
4.2 功率晶体管 Ø 术语用法： 功率晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为巨型晶体 管） 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有时候也称为Power BJT 在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效 Ø 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MOSFET取代
1.GTR的结构和工作原理 与普通的双极结型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 逋敌Ⅳ 隹由极c 图4-7GTR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
1. GTR的结构和工作原理 与普通的双极结型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 图4-7 GTR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 图 1-1 5 a) 基极 b P基区 N漂移区 N+衬底 基极 b 发射极 c 集电极 c P + P + N + b ) b e c 空穴流 电 子 流 c) E b E c i b i c =i b i e =(1+ )i b
般采用共发射极接法,集电极电流i与基极电流i之比为 B β—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l时,i和i的关系为 icB ib +1 产品说明书中通常给直流电流增益—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/≈hE 单管GTR的β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
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Iceo时，ic和ib的关系为 ic= ib +Iceo 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 b c i i =
2.GTR的基本特性 (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4-8共发射极接法时GTR的输出特性 (2)动态特性 90% 图49GTR的开通和关断过程电流波形
2. GTR的基本特性 (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4-8 共发射极接法时GTR的输出特性 (2) 动态特性 图4-9 GTR的开通和关断过程电流波形 截止区 放大区 饱 和 区 图 1-1 6 O I c i b 3 i b 2 i b 1 i b 1 < i b 2 < i b 3 U ce 图1-17 i b I b 1 I b 2 I cs i c 0 0 90%I b 1 10%I b 1 90%I cs 10%I cs t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t t t off t s t f t o n t r t d
0开通过程 延迟时间t和上升时间t,二者之和为开通时间tm t主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大运的幅 值并增大div/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 O关断过程 储存时间t和下降时间t,二者之和为关断时间tre t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U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
Ø 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 td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。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 Ø 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
3.GTR的主要参数 前已述及:电流放大倍数β、直流电流增益ε、集射极间漏电流le、集射极间饱和压降 es、开通时间t和关断时间tort 此外还有 1)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 BUcbo> BUcex> BUces> bUcer> blc 实际使用时,为确保安全,最高工作电压要比B低得多 2)2)集电极最大允许电流M 通常规定为h下降到规定值的1/21/3时所对应的l 实际使用时要留有裕量,只能用到的一半或稍多一点 3)3)集电极最大耗散功率PM 最高工作温度下允许的耗散功率 产品说明书中给P时同时给出壳温Tc,间接表示了最高工作温度
3. GTR的主要参数 前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降 Uces、开通时间ton和关断时间toff 此外还有： 1) 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 BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> BUceo 实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多 2) 2) 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) 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
4.GTR的二次击穿现象与安全工作区 O一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时,迅速增大,出现雪崩击穿 只要L不超过限度,GTR一般不会损坏,工作特性也不变 二次击穿 次击穿发生时Ⅰ增大到某个临界点时会突然急剧上升,并伴随电压的陡然下降 常常立即导致器件的永久损坏,或者工作特性明显衰变 安全工作区(Safe0 perating Area-S0A) 最高电压Uaw、集电极最大电流M、最大耗散功率PM、二次击穿临界线限定 IK//// A cM 图 410GTR的安全工作区
4. GTR的二次击穿现象与安全工作区 Ø 一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿 只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变 二次击穿 一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 安全工作区（Safe Operating Area——SOA） 最高电压UceM、集电极最大电流I cM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定 图 4-10 GTR的安全工作区 SOA O I c I cM PSB PcM UceM Uce