20全控型电力电子器件

GTR模块
GTR的主要特性
GTR的特性可分为静态特性和动态特性。
静态特性 动态特性
静态特性
UCE=ƒ（IC）
静态特性
截止区：UBE≤0，UBC＜0，发射结、集电结均反偏。 此时IB = 0，GTR承受高电压，仅有微小的漏电流。 放大区：UBE＞0，UBC＜0，发射结正偏、集电结反偏 此时在该区内，IC与IB呈线性关系。 临界饱和区：UBE＞0，UBC＜0，发射结正偏、集电 结反偏。在该区内，IC与IB呈非线性关系。 深饱和区：UBE＞0，UBC≥0，发射结、集电结均正偏 此时在该区内，IC与IB呈线性关系。
电力晶体管（GTR）
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电力晶体管（GTR）
电力晶体管（Giant Transistor）简称GTR或 BJT，它是一种电流控制的双极双结大功率、高反 压电力电子器件。
一般将集电极功率PCM＞1W的晶体管Baidu Nhomakorabea为电 力晶体管。
电力晶体管（GTR）
GTR的优势： 耐压高，电流大，开关特性好，具有自关断能力。
GTR的工作原理
GTR是用基极电流IB来控制集电极电流IC的 电流控制型器件，其基本工作原理与小功率三极 管基本相同。
GTR主要作为功率开关使用，工作于饱和导通 与截止状态，不允许工作于放大状态。
在电力电子技术中，GTR要有足够的容量、适 当的增益、较高的开关速度和较低的功率损耗等 。
GTR的工作原理
动态特性（开通特性）
开通时间ton ：
GTR由关断状态过 渡到导通状态所需要的 时间。
开通时间ton由延迟 时间td和上升时间tr两部 分组成。
动态特性（关断特性）
GTR由导通状态过渡到关断状态所需要的时 间称为关断时间toff，它由储存时间ts和下降时间tf 两部分组成 。
GTR的开、关时间在几微秒 ~ 十几微秒以 内。容量越大，开关时间也越长，但仍比快速晶 闸管短。可用于频率较高的场合。
在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、 中等频率的电路中应用广泛。
电力晶体管（GTR）
•GTR的结构和工作原理 •GTR的分类 •GTR的主要特性 • GTR的参数
•GTR的二次击穿与安全工作区
•驱动电路与保护
电力晶体管（GTR）
GTR的缺点: 驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次
击穿而损坏。
GTR的参数
（1）最高电压额定值
最高电压额定值是指集电极的击穿电压值。
① BUCBO为发射极开路时，集电极-基极的击穿电压。 ② BUCEO为基极开路时，集电极-发射极的击穿电压。
③ BUCES为基极-射极短路时，集电极-发射极的击穿 电压。
④ BUCER为基极-发射极间并联电阻时，集电极-发射 极的击穿电压。并联电阻越小，其值越高。
⑤ BUCEX为基极-发射极施加反偏压时，集电极-发射 极的击穿电压。
在不同基极条件下的伏安特性及电压极限值
最大电流额定值
最大电流额定值：
集电极最大允许电流ICM。 集电极最大允许电流ICM：
在最高允许结温下，不造成器件损坏的最大 电流。超过该额定值必将导致GTR内部结构的烧 毁。在实际使用中，可以利用热容量效应，根据 占空比来增大连续电流，但不能超过峰值额定电 流。
虽然达林顿结构大大提高了电流放大倍数，但 其饱和管压降却增加了，增大了导通损耗，同时降 低了管子的工作速度。
达林顿GTR
实用达林顿
电路是将达林顿
结构的GTR、稳 定电阻R1、R2、 加速二极管VD1 和续流二极管
VD2等制作在一 起。
实用达林顿 电路
GTR模块
GTR模块是将 一个GTR管芯及辅助元件组 装成一个基本单元，然后根据不同的用途将几个 单元电路构成模块，集成在同一硅片上。
GTR的工作原理
GTR的大电流效应：由于GTR的工作电 流和功耗大，会造成GTR的电流增益β下降， 特征频率减小，电流局部集中而导致的局部 过热，这将严重地影响GTR的品质，甚至使 GTR损坏。
GTR的分类
电力晶体管有单管、达林顿管和达林顿晶体管模块。
单管GTR 达林顿GTR GTR模块
单管GTR
在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率 MOSFET和IGBT所代替。
GTR的结构
电力晶体管与一般双极型晶体管结构相似，也分 为PNP型和NPN型两种，但大功率的GTR多采用NPN 型。
结构示意图
正向道童电 路
电气符号
GTR的工作原理
当工作在正偏（Ib＞0）时，GTR导通； 当工作在反偏（Ib≤0）时，GTR截止。 GTR工作于导通和截止的两种状态，即相 当于电子开关闭合与断开。
GTR结构简 单、可靠性高耐 压能力强，易于 散热；但单管 GTR电流增益较 低。
达林顿GTR
达林顿GTR是由多个晶体管复合而成，前级 晶体管为驱动管，后级晶体管为输出管，其性质 取决于驱动管。
PNP型
NPN型
达林顿GTR
与单管GTR相比，达林顿结构的电力晶体管 电流放大倍数很大，可以达到几十至几千倍。
在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电 极电流i c与基极电流i b的比值为
β =i c / i b
β称为GTR的电流放大系数，它反映出基极电 流对集电极电流的控制能力。
单管GTR的β很小，通常为10左右。
GTR的工作原理
为了削弱上述物理效应的影响，必须在 结构和制造工艺上采取适当的措施，以满足 大功率应用的需要。
最大电流额定值的确定
① 因为大电流效应会使GTR的电性能变差， 甚至使管子损坏。所以ICM标定应当不引起大电流效 应，通常规定β值下降到额定值的1/2~1/3时对应的IC
为ICM值。
②在低电压范围内使用GTR时，以集电极最大耗 散功率PM的大小来确定ICM值。
③通常IC只能用到ICM的一半左右。
最大额定功耗PCM
GTR模块提高了器件的集成度、工作的可靠 性和性价比，同时也实现了小型轻量化。
GTR模块可将多达6个相互绝缘的单元电路 制在同一个模块内，便于组成三相桥电路。
GTR模块
GTR模块多种多样。既有一单元、二单 元模块的封装，又有四单元、六单元模块的 封装；每个基本单元内使用的GTR，既有单 管GTR，又有两级、三级甚至四级达林顿复 合型GTR；既有晶体管单独封装的单品种型 模块，又有晶体管与快恢复续流二极管混合 封装的混合型GTR模块。