電力雙極470UF 6.3V型晶體管

　　電力雙極型晶體管(GTR)是一種耐高壓、能遭受大電流的雙極晶體管，也稱為BJT，簡稱為電力晶體管。它與晶閘管差異，具有線性放大特性，但在電力電子應用中卻事情在開關狀態，從而減小功耗。GTR可通過基極節制其開通和關斷，是典范的自關斷器件。

一、電力晶體管的布局和事情道理

　　電力晶體管有與一般雙極型晶體管相似的布局、事情道理和特性。它們都是3層半導體，2個PN結的三端器件，有PNP和NPN這2種范例，但GTR多回收NPN型。GTR的布局、電氣標記和根基事情道理，如圖1所示。

　　在應用中，GTR一般回收共發射極接法，如圖1(c)所示。集電極電流i c與基極電流i b的比值為

　　β=i c/i b   （1）

　　式中，β稱為GTR的電放逐大系數，它反應出基極電流對集電極電流的節制本領。單管GTR的電放逐大系數很小，凡是為10閣下。

　　在思量集電極和發射極之間的泄電流時，

　　i c=βi b+I c e o     (2)

二、GTR的范例

　　今朝常用的GTR的單管、達林頓管和模塊這3種范例。

1、 單管GTR

　　NPN三重擴散臺面型布局是單管GTR的典范布局，這種布局靠得住性高，能改進器件的二次擊穿特性，易于提高耐壓本領，并易于散出內部熱量。{{分頁}}

2、  達林頓GTR

　　達林頓布局的GTR是由2個或多個晶體管復合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性質取決于驅動管，它與普通復合三極管相似。達林頓布局的GTR電放逐大倍數很大，可以到達幾十至幾千倍。固然達林頓布局大大提高了電放逐大倍數，但其飽和管壓降卻增加了，增大了導通損耗，同時低落了管子的事情速度。

3、  GTR模塊

　　今朝作為大功率的開關應用照舊GTR模塊，它是將GTR管芯及為了改進機能的1個元件組裝成1個單位，然后按照差異的用途將幾個單位電路組成模塊，集成在同一硅片上。這樣，大大提高了器件的集成度、事情的靠得住性和機能/價值比，同時也實現了小型輕量化。今朝出產的GTR模塊，可將多達6個彼此絕緣的單位電路制在同一個模塊內，便于構成三相橋電路。

三、GTR的特性

1、  靜態特性

　　靜態特性可分為輸入特性和輸出特性。輸入特性與二極管的伏安特性相似，在此僅先容其共射極電路的輸出特性。GTR共射極電路的輸出特性曲線，如圖2所示。由圖明明看出，靜態特性分為3個區域，即人們所熟悉的截至區、放大區及飽和區。當集電結和發射結處于反偏狀態，或集電結處于反偏狀態，發射結處于零偏狀態時，管子事情在截至區；當發射結處于正偏、集電結處于反偏狀態時，管子事情在放大區；當發射和集電結都處于正偏狀態時，管子事情在飽和區。GTR在電力電子電路中，需要事情在開關狀態，因此它是在飽和和截至區之間瓜代事情。

2、  動態特性

　　GTR是用基極電流節制集電極電流的，器件開關進程的瞬態變革，就反應出其動態特性。GTR的動態特性曲線， 耐高溫，如圖3所示。

　　由于管子結電容和儲存電荷的存在，開關進程不是瞬時完成的。GTR開通時需要顛末延時時間和上升時間，二者之和為開通時間；關斷時需要顛末儲存時間和下降時間，二者之和為關斷時間。{{分頁}}

　　實際應用中， 330UF 10V，在開通GTR時，加大驅動電流i b和其上升率，可減小td和tr，但電流也不能太大，不然會由于過飽和而增大t s。在關斷GTR時，加反向基極電壓可加快存儲電荷的消散，淘汰t s ，但反向電壓不能太大，以免使發射結擊穿。

　　為了提高GTR的開關速度，可選用結電容較量小的快速開關管，還可用加快電容來改進GTR的開關特性。在GTR的基極電阻兩頭并聯一個電容，操作換流瞬間其上電壓不能突變的特性，也可改進管子的開關特性。

四、GTR的主要參數

1、  電壓參數

（1） 最高電壓額定值

　　最高集電極電壓額定值是指集電極的擊穿電壓值，它不只因器件差異而差異，并且會因外電路接法差異而差異。擊穿電壓有：

① 　　BUCBO為發射極開路時，集電極-基極的擊穿電壓。

②     BUCBO為基極開路時，集電極-發射極的擊穿電壓。

③     BUCES為基極-射極短路時，集電極-發射極的擊穿電壓。

④     BUCER為基極-發射極間并聯電阻時，集電極-發射極的擊穿電壓。并聯電阻越小，其值越高。

⑤     BUCEX為基極-發射極施加反偏壓時，集電極-發射極的擊穿電壓。

　　各類差異接法時的擊穿電壓的干系如下：

　　BUCBO>BUCEX>BUCES>BUCER>BUCEO

　　為了擔保器件事情安詳，GTR的最高事情電壓UCEM應比最小擊穿電壓BUCEO低。

（2）飽和壓降UCES

　　處于深飽和區的集電極電壓稱為飽和壓降，在大功率應用中它是一項重要指標，因為它干系到器件導通的功率損耗。單個GTR的飽和壓降一般不高出1~1.5V，它隨集電極電流ICM的增加而增大。

2、  電流參數

（1） 集電極持續直流電流額定值IC

　　集電極持續直流電流額定值是指只要擔保結溫不高出答允的最高結溫，晶體管答允持續通過的直流電流值。

（2）集電極最大電流額定值ICM

　　集電極最大電流額定值是指在最高答允結溫下，不造成器件損壞的最大電流。高出該額定值必將導致晶體管內部布局的燒毀。在實際利用中，可以操作熱容量效應，按照占空比來增大持續電流，但不能高出峰值額定電流。

（3）基極電流最大答允值IBM

　　基極電流最大答允值比集電極最大電流額定值要小得多，凡是IBM=(1/10~1/2)ICM，而基極發射極間的最大電壓額定值凡是只有幾伏。{{分頁}}

3、  其他參數

（1）最高結溫TJM

　　最高結溫是指出正常事情時不損壞器件所答允的最高溫度。它由器件所用的半導體質料、制造工藝、封裝方法及靠得住性要求來抉擇。塑封器件一般為120℃~150℃，金屬封裝為150℃~170℃。為了充實操作器件功率而又不高出答允結溫，GTR利用時必需選共同適的散熱器。

（2）最大額定功耗PCM

　　最大額定功耗是指GTR在最高答允結溫時，所對應的耗散功率。它受結溫限制，其巨細主要由集電結事情電壓和集電極電流的乘積抉擇。一般是在情況溫度為25℃時測定，假如情況溫度高于25℃，答允的PCM值該當減小。由于這部門功耗全部釀成熱量使器件結溫升高，因此散熱條件對GTR的安詳靠得住十分重要，假如散熱條件欠好，器件就會因溫渡過高而燒毀；相反，假如散熱條件越好，在給定的范疇內答允的功耗也越高。

4、  二次擊穿與安詳事情區

（1）二次擊穿現象

　　二次擊穿是GTR溘然損壞的主要原因之一，成為影響其是否安詳靠得住利用的一個重要因素。前述的集電極-發射極擊穿電壓值BUCEO是一次擊穿電壓值，一次擊穿時集電極電流急劇增加，假如有外加電阻限制電流的增長時，則一般不會引起GTR特性變壞。但不加以限制，就會導致粉碎性的二次擊穿。二次擊穿是指器件產生一次擊穿后，集電極電流急劇增加，在某電壓電流點將發生向低阻抗高速移動的負阻現象。一旦產生二次擊穿就會使器件受到永久性損壞。

（2） 安詳事情區（SOA）

GTR在運行中受電壓、電流、功率損耗和二次擊穿等額定值的限制。為了使GTR安詳靠得住地運行，必需使其事情在安詳事情區范疇內。安詳事情區是由GTR的二次擊穿功率PSB、集射極最高電壓UCEM、集電極最大電流ICM和集電極最大耗散功率PCM等參數限制的區域，如圖4的陰影部門所示。

　　安詳事情區是在必然的溫度下得出的，譬喻情況溫度25℃或管子殼溫75℃等。利用時，假如超出上述指定的溫度值，則答允功耗和二次擊穿耐能都必需低落額定利用。

五、GTR的驅動和掩護電路

1、  GTR驅動電路的設計要求

　　GTR基極驅動方法直接影響其事情狀態，可使某些特性參數獲得改進或變壞，譬喻，過驅動加快開通，淘汰開通損耗，但對關斷倒霉，增加了關斷損耗。驅動電路有無快速掩護成果，則是GTR在過壓、過流后是否損壞的重要條件。GTR的熱容量小，過載本領差，回收快速熔斷器和過電流繼電器是基礎無法掩護GTR的。因此，不再用割斷主電路的要領，而是回收快速割斷基極節制信號的要領舉辦掩護。這就將掩護法子轉化成如何實時精確地測到妨礙狀態和如何快速靠得住地封閉基極驅動信號這2個方面的問題。

（1） 設計基極驅動電路思量的因素

　　設計基極驅動電路必需思量的3個方面：優化驅動特性、驅動方法和自動快速掩護成果。

①     優化驅動特性

優化驅動特性就是以抱負的基極驅動電流波形去節制器件的開關進程，擔保較高的開關速度，淘汰開關損耗。優化的基極驅動電流波形與GTO門極驅動電流波形相似。{{分頁}}

②     驅動方法

　　驅動方法按差異環境有差異的分類要領。在此處，驅動方法是指驅動電路與主電路之間的毗連方法，它有直接和斷絕2種驅動方法：直接驅動方法分為簡樸驅動、推挽驅動和抗飽驅動等形式；斷絕驅動方法分為光電斷絕和電磁斷絕形式。

③     自動快速掩護成果

　　在妨礙環境下，為了實現快速自動割斷基極驅動信號以免GTR遭到損壞，必需回收快速掩護法子。掩護的范例一般有抗飽和、退抗飽和、過流、過壓、過熱和脈沖限制等。

（2） 基極驅動電路

　　GTR的基極驅動電路有恒流驅動電路、抗飽和驅動電路、牢靠反偏互補驅動電路、比例驅動電路、集成化驅動電路等多種形式。恒流驅動電路是指其使GTR的基極電流保持恒定，不隨集電極電流變革而變革?？癸柡万寗与娐芬卜Q為貝克箝位電路，其浸染是讓GTR開通時處于準飽和狀態，使其不進入放大區和深飽和區，關斷時，施加必然的負基極電流有利于減小關斷時間和關斷損耗。牢靠反偏互補驅動電路是由具有正、負雙電源供電的互補輸出電路組成的，當電路輸出為正時，GTR導通；當電路輸出為負時，發射結反偏，基區中的過剩載流子被迅速抽出，管子迅速關斷。比例驅動電路是使GTR的基極電流正比于集電極電流的變革，擔保在差異負載環境下，器件的飽和深度基內情同。集成化驅動電路降服了上述電路元件多、電路巨大、不變性差、利用不利便等缺點。具有代表性的器件是THOMSON公司的UAA4003和三菱公司的M57215BL。

　?、貵TR的驅動電路種類許多，下面先容一種分立元件GTR的驅動電路，如圖5所示。電路由電氣斷絕和晶體管放大電路兩部門組成。電路中的二極管VD2和電位賠償二極管VD3構成貝克箝位抗飽和電路，可使GTR導通時處于臨界飽和狀態。當負載輕時，假如V5的發射極電流全部注入V，會使V過飽和，關斷時退飽和時間耽誤。有了貝克電路后，當V過飽和使得集電極電位低于基極電位時，VD2就會自動導通，使得多余的驅動電流流入集電極，維持Ubc≈0。這樣，就使得V導通時始終處于臨界飽和。圖中的C2為加快開通進程的電容，開通時，R5被C2短路。這樣就可以實現驅動電流的過沖，同時增加前沿的陡度，加速開通。別的，在V5導通時C2充電，充電的極性為左正右負，為GTR的關斷做做籌備。當V5截至V6導通時，C2上的充電電壓為V管的發射結施加反電壓，從而GTR迅速關斷。
      

　?、贕TR集成驅動電路種類許多，下面簡樸先容幾種環境：

　　HL202是國產雙列直插、20引腳GTR集成驅動電路，內有微分變壓器實現信號斷絕，貝克箝位退飽和、負電源欠壓掩護。事情電源電壓+8~+10V和-5.5V~ -7V，最大輸出電流大于2.5A，可以驅動100A以下GTR。

　　UAA4003是雙列直插、16引腳GTR集成驅動電路，可以對被驅動的GTR實現最優驅動和完善掩護，擔保GTR運行于臨界飽和的抱負狀態，自身具有PWM脈沖形成單位，出格合用于直流斬波器系統。

　　M57215BL是雙列直插、8引腳GTR集成驅動電路，單電源自生負偏壓事情，可以驅動50A，1000V以下的GTR模塊一個單位；外加功率放大可以驅動75~400A以上GTR模塊。{{分頁}}

2、  GTR的掩護電路

　　GTR的掩護電路應包羅對器件的過電壓掩護、過電流掩護、過熱掩護、安詳區外運行狀態掩護以及過大的di/dt和du/dt的掩護。為防備GTR的損壞，這些掩護必需快速行動，并且這些掩護都是在精確檢測的基本上完成。過壓、過熱掩護相對簡樸，可以操作壓敏電阻、熱敏電阻來實現掩護。而對du/dt和di/dt限制掩護，可通過緩沖電路來實現；過電流掩護可按照基極或集電極電壓特性來實現。下面先容這2種掩護電路的監測及事情道理。

　　過電流的呈現是由于GTR處于過載或短路妨礙而引起的，此時跟著集電極電流的急劇增加，其基極電壓UBE和集電極電壓UCE均產生相應變革。在基極電流和結溫一按時，UBE隨IC正比變革，監測UBE再與給定的基準值舉辦較量，就可發出切除驅動基極信號的呼吁，實現過載和過流掩護。與此雷同，操作UCE也可到達過流掩護的目標。但UCE的變革比UBE遲鈍，且受溫度影響較大。

　　由于UBE隨IC的變革比UCE的變革快，因此監測UBE適于短途經流掩護，而監測UCE合用過載掩護。過流掩護的基極電壓特性和電壓監測電路，如圖6所示。
     

　　由圖6(a)明明看出，GTR的電壓UBE跟著IC正比變革。圖6（b）電路隨時監測UBE的變革，同時與基準電壓值UR舉辦較量。在正常環境下，UBE< SPAN>R，較量器輸出低電平擔保驅動管V和GTR導通。當主電路產生短路時，UBE線性上升，一旦UBE>UR，較量器當即輸出高電平使驅動管截至，迅速關斷已經短途經流的GTR，實現過流掩護。

　　過載掩護的集電極電壓特性和電壓監測電路，如圖7所示。由圖7(a)可見，GTR事情在飽和區和準飽和區時，UCE一般在0.8~2V之間。當負載過流或由于基極驅動電流不敷時，均引起GTR退出飽和區進入線性放大區，致使UCE迅速增大，功耗猛增使器件燒毀。圖7(b)電路隨時監測UCE的變革，當UCE>UR時，掩護電路行動使GTR關斷。電路中電容C起加快強制開通浸染。

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