第5章 电力晶体管GTR
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C1 R 3 R4 R2 VT 1 R1 VD1 C2 VD2 R6 R8 VD3 R10 R 11 VD4 VT3 VD 6 R12 VT 2 R14
U CC
ui
_
A
B 311 C +
R9
VD7 VT 4
E
D
VD 5 C3
GTR VT5 R15
VD8
R5
R7 R13
U CC
5.4
GTR的驱动电路
该电路采用了自适应驱动方式，它由跨接在GTR集电极和晶体管VT5 基极之间的二极管VD7来实现。当GTR导通后，E点电位低于D点电位时， VD7导通。由于VD7的分流作用使VT5的基极电流下降，导致GTR的基极 驱动电流下降，GTR饱和程度减小，进而又使E点电位回升。由于VD7的 管压降与VT5发射结压降近似相等，所以通过以上的自动调节过程使GTR 的 ，即在 U ce U be0.7V左右，由此来保证GTR工作于准饱和区。
5.4
GTR的驱动电路
2）集成化基极驱动电路
由分立元件组成的基极驱动电路都存在着电路组件多、电路复杂、 稳定性差和使用不便等缺点。 大规模集成化基极驱动电路的出现不但解决了这些问题，同时还增
加了电路保护功能。 UAA4002是法国THOMSON公司生产的专业集成化基极驱动电路芯片，
是大规模集成化基极驱动电路的典型代表。 它的完善的设计使其可对被驱动的电力晶体管实现过电流、最大导通 时间、最小导通时间、欠饱和、过饱和及驱动电源正负电压欠电压保护和 芯片自身工作温度的检测和保护等功能。
1）由分立元件组成的驱动电路
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VD7 VT 4
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VD 5 C3
GTR VT5 R15
VD8
R5
R7 R13
5.4
GTR的驱动电路
（1）UAA4002的主要设计特点
① 可为用户脉冲形成部分与被驱动的功率晶体管之间提供理想的匹配。它 是一个智能接口，其输入与TTL电平及CMOS电平均兼容，其输入信号与输 出信号之间的延时时间可人为调节。 ② 能把接收到的、以逻辑信号输入的功率晶体管的导通信息，转变为加到功 率晶体管上的基极电流，来保证开关晶体管运行于临界饱和的最佳状态，从 而显著减少了开关晶体管关断过程中的存储时间。UAA5002可为开关晶体管 提供一个最大为0.5A的正向基极驱动电流，且电路自身的设计保证了这一电 流值可以通过增加一个或几个外部晶体管加以放大。 ③可为开关晶体管提供一个幅值为3A的反向基极电流，这一电流值足以使晶 体管快速关断，保证了晶体管集电极电流的下降时间极短，从而显著减少了 关断损耗。同样，反向基极电流亦可增加一个或几个外部晶体管来放大。
ic 90%Ics 10%Ics 0
td t r
t0 t1
t2 图1-17
t3
t4
t5
t
• GTR的开关时间在几微秒以内，比 图5.3 GTR的开通和关断过程电流波形 晶闸管和GTO都短很多 。
5.3
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IceR、集射极间饱和压降Uces、开通时间tRn和关
a)
图1-15 图5.1 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
与普通的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 。
第 5章
电力晶体管（GTR）
5.1 GTR的结构和工作原理 5.2 GTR的基本特性
5.3 GTR的主要参数
5.4 GTR的驱动
5.1
GTR的结构和工作原理
• 电力晶体管（Giant TransistRr——GTR，直译为巨 型晶体管） • 耐 高 电 压 、 大 电 流 的 晶 体 管 （ BipRlar JunctiRn TransistRr——BJT ） ，英文有时候也称为 PRwer BJT。 • 在电力电子技术的范围内，GTR与 BJT 这两个名称 等效。
隔离驱动方式则是指驱动控制电路与主电路间没有电的联系， 驱动信号是通过隔离元件间传送的。
相比较而言，隔离驱动方式由于具有一定的抗干扰能 力，安全性高，在实际中应用较多。
5.4
GTR的驱动电路
通常，GTR驱动电路应满足以下基本要求： 1）控制开通GTR时，驱动电流前沿要陡（小于1s）， 并有一定的过冲电流，以缩短开通时间，减小开通损耗。 2）GTR导通后，应相应减小驱动电流，使GTR处于准饱 和导通状态，且使之不进入放大区和深饱和区，以降低 驱动功率，缩短储存时间。 3）GTR关断时，应迅速加上足够大的反向基极电流，迅速 抽取基区的剩余载流子，确保GTR快速关断，并减小关 断损耗。 5）GTR的驱动电路要具有自动保护功能，以便在故障状态 下能快速自动切除基极驱动信号，避免GTR遭至损坏。
术语用法：
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MRSFET取代。
5.1
GTR的结构和工作原理
基极b 发射极c 基极b c P+ N+ P基区 N漂移区 N 衬底 Eb 集电极c
+
ic=ib
P+ b e
空穴流 ib 电 子 流 ie=(1+ib b) c) Ec
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 。
5.4
GTR的驱动电路
1. GTR对基极驱动电路的基本要求
GTR的基极驱动电路可分为直接驱动和隔离驱动两种方式。
直接驱动方式是指驱动电路与主电路之间直接连接。
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GTR VT5 R15
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ic 90%Ics 10%Ics 0
td t r
t0 t1
t2
t3
t4
t5
t
图1-17 图5.3 GTR的开通和关断过程电流波形
5.2
关断过程
GTR的基本特性
• 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。
5.4
GTR的驱动电路
信号隔离电路由发光二极管和晶体三极管组成，它将逻辑控制电路与驱动 电路进行了电气隔离并且将信号进行预放大。
过载检测电路由二极管VD6和比较器311组成。当GTR集射极间管压降U ce 高于某一规定值时，比较器311发出过载保护信号。
控制信号综合电路由三极管VT2构成，其任务是将正常的开关驱动信号与过 载禁止信号叠加处理后送给输出级。 自适应双极性输出电路由三极管VT3、VT4、VT5和二极管VD7组成，它 起到提高开关速度的作用。
截止区 O
图5.2 共发射极接法时GTR的输出特性
5.2
(2) 动态特性
开通过程
GTR的基本特性
ib 90%Ib1 10%Ib1 0
Ib1
• 延迟时间 td 和上升时间 tr ， 二者之和为开通时间ton。
t Ib2 ton toff Ics ts tf
• 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 。
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VD 5 C3
GTR VT5 R15
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R5
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U CC
图5.6 门极驱动电路实例1
断时间tRff (此外还有)： 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。
实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比UceR低得多。
5.3
GTR的主要参数
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。
VD 4 VD 1
C A
VD 2 VD 3
B
GTR
E
图5.5 贝克钳位电路
5.4
GTR的驱动电路
VD 1
基极驱动电流信号由A点分三路与GTR 相连接。二极管VD1与GTR的集电极相连，
C A
VD 2 VD 3
保证在正向驱动状态C点比A点电位低一个
二极管压降的数值，这样GTR的集电极至 多处于零偏臵状态而决不会出现正偏臵状 态，即GTR不可能进入深饱和区。
5.4
GTR的驱动电路
理想的GTR基极驱动电流波形如图5.5所示。
I b1 其中 是GTR的基极电流 Ib2 初始值， 是GTR导通后
并恰好运行于准饱和状态 I b3 时的正向电流值， 是当 GTR在关断时所需施加的、 足够大的基极反向电流值。
ib
I bm
0
I b2 I b3
t
图5.4 理想的基极驱动电流波形
B
GTR
E
VD 4
图5.5 贝克钳位电路源自 二极管VD1称为钳位二极管，它相当于一个溢流阀的作用，使过量的输 入驱动电流不会全部流入GTR的基极，而经VD1分路至GTR的集电极一 部分，从而保证GTR始终处于准饱和状态。
这样明显地降低了存储时间，提高了GTR的开关速度。
5.4
GTR的驱动电路
VD 1
U CC
图5.6 基极驱动电路实例1
5.4
GTR的驱动电路
图5.6是一种高效自保护GTR基极驱动电路。它不但能对GTR电路的
过载提供快速可靠的保护，而且可以改善GTR的开关特性，缩短开关时 间，降低驱动功率和提高驱动效率。
电路由信号隔离电路、过载检测电路、控制信号综合电路和自适应 双极性输出电路组成。
GTR的驱动电路
与图5.5所示的基本贝克钳位电路相比，自适应驱动方式省掉了串联二极
管VD3和反并联二极管VD5，并且由于对基极的分流是在前级驱动管VT5的
基极进行的，在GTR轻载时流过VD2的电流比贝克钳位电路中流过VD1的电 流小得多，减小了驱动电流的损失，因而有利于驱动效率的提高。 该电路能够在驱动电路中实现GTR本身过载的快速保护，在GTR导通期间 不允许其管压降过高，能够避免造成功耗过大。电路中的一些辅助元件如光 电耦合器、加速电容 C1 、泄放电阻 R3 以及由二极管VD3和VD5组成的VT3 管抗饱和电路等均可减少驱动电路本身的开关时间，进而改善主电路的开关 波形。
5.2
(1) 静态特性
GTR的基本特性
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
饱和区
Ic
放大区 ib3 ib2 ib1 ib1<ib2<ib3 Uce 图1-16
基极支路中串连的二极管VD2和VD3用来 调整GTR的基极电流数值，从而可以改变
C A
VD 2 VD 3
GTR的饱和程度。 与VD2、VD3反并联的二极管VD5为反向抽
走基区载流子提供了电流通路，从而加快了 GTR的关断过程。
B
GTR
E
VD 4
图5.5 贝克钳位电路
5.4
GTR的驱动电路
3. 基极驱动电路实例
ib 90%Ib1 10%Ib1 0
Ib1
t Ib2 ton toff Ics ts tf
• 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。
5.1
GTR的结构和工作原理
在应用中，GTR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
ic ib
当考虑到集电极和发射极间的漏电流 IceR 时，ic和ib 的 关系为 ic= ib +IceR
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。
5.4
2、贝克钳位电路.
GTR的驱动电路
为了提高GTR的工作速度，都以抗饱和的贝克钳位电路作为基本电路。 它使GTR工作在准饱和状态，提高了器件开关过程的快速性能，因此成为一 种被广泛采用的基本电路。 电路的具体形式如图5.5所示。 利用此电路再配以固定的反向基极 电流和固定的基极－发射极反向偏压， 即可获得较为满意的驱动效果。
C1 R 3 R4 R2 VT 1 R1 VD1 C2 VD2 R6 R8 VD3 R10 R 11 VD4 VT3 VD 6 R12 VT 2 R14
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GTR VT5 R15
VD8
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U CC
5.4
GTR的驱动电路
该电路采用了自适应驱动方式，它由跨接在GTR集电极和晶体管VT5 基极之间的二极管VD7来实现。当GTR导通后，E点电位低于D点电位时， VD7导通。由于VD7的分流作用使VT5的基极电流下降，导致GTR的基极 驱动电流下降，GTR饱和程度减小，进而又使E点电位回升。由于VD7的 管压降与VT5发射结压降近似相等，所以通过以上的自动调节过程使GTR 的 ，即在 U ce U be0.7V左右，由此来保证GTR工作于准饱和区。
5.4
GTR的驱动电路
2）集成化基极驱动电路
由分立元件组成的基极驱动电路都存在着电路组件多、电路复杂、 稳定性差和使用不便等缺点。 大规模集成化基极驱动电路的出现不但解决了这些问题，同时还增
加了电路保护功能。 UAA4002是法国THOMSON公司生产的专业集成化基极驱动电路芯片，
是大规模集成化基极驱动电路的典型代表。 它的完善的设计使其可对被驱动的电力晶体管实现过电流、最大导通 时间、最小导通时间、欠饱和、过饱和及驱动电源正负电压欠电压保护和 芯片自身工作温度的检测和保护等功能。
1）由分立元件组成的驱动电路
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5.4
GTR的驱动电路
（1）UAA4002的主要设计特点
① 可为用户脉冲形成部分与被驱动的功率晶体管之间提供理想的匹配。它 是一个智能接口，其输入与TTL电平及CMOS电平均兼容，其输入信号与输 出信号之间的延时时间可人为调节。 ② 能把接收到的、以逻辑信号输入的功率晶体管的导通信息，转变为加到功 率晶体管上的基极电流，来保证开关晶体管运行于临界饱和的最佳状态，从 而显著减少了开关晶体管关断过程中的存储时间。UAA5002可为开关晶体管 提供一个最大为0.5A的正向基极驱动电流，且电路自身的设计保证了这一电 流值可以通过增加一个或几个外部晶体管加以放大。 ③可为开关晶体管提供一个幅值为3A的反向基极电流，这一电流值足以使晶 体管快速关断，保证了晶体管集电极电流的下降时间极短，从而显著减少了 关断损耗。同样，反向基极电流亦可增加一个或几个外部晶体管来放大。
ic 90%Ics 10%Ics 0
td t r
t0 t1
t2 图1-17
t3
t4
t5
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• GTR的开关时间在几微秒以内，比 图5.3 GTR的开通和关断过程电流波形 晶闸管和GTO都短很多 。
5.3
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IceR、集射极间饱和压降Uces、开通时间tRn和关
a)
图1-15 图5.1 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
与普通的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 。
第 5章
电力晶体管（GTR）
5.1 GTR的结构和工作原理 5.2 GTR的基本特性
5.3 GTR的主要参数
5.4 GTR的驱动
5.1
GTR的结构和工作原理
• 电力晶体管（Giant TransistRr——GTR，直译为巨 型晶体管） • 耐 高 电 压 、 大 电 流 的 晶 体 管 （ BipRlar JunctiRn TransistRr——BJT ） ，英文有时候也称为 PRwer BJT。 • 在电力电子技术的范围内，GTR与 BJT 这两个名称 等效。
隔离驱动方式则是指驱动控制电路与主电路间没有电的联系， 驱动信号是通过隔离元件间传送的。
相比较而言，隔离驱动方式由于具有一定的抗干扰能 力，安全性高，在实际中应用较多。
5.4
GTR的驱动电路
通常，GTR驱动电路应满足以下基本要求： 1）控制开通GTR时，驱动电流前沿要陡（小于1s）， 并有一定的过冲电流，以缩短开通时间，减小开通损耗。 2）GTR导通后，应相应减小驱动电流，使GTR处于准饱 和导通状态，且使之不进入放大区和深饱和区，以降低 驱动功率，缩短储存时间。 3）GTR关断时，应迅速加上足够大的反向基极电流，迅速 抽取基区的剩余载流子，确保GTR快速关断，并减小关 断损耗。 5）GTR的驱动电路要具有自动保护功能，以便在故障状态 下能快速自动切除基极驱动信号，避免GTR遭至损坏。
术语用法：
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MRSFET取代。
5.1
GTR的结构和工作原理
基极b 发射极c 基极b c P+ N+ P基区 N漂移区 N 衬底 Eb 集电极c
+
ic=ib
P+ b e
空穴流 ib 电 子 流 ie=(1+ib b) c) Ec
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 。
5.4
GTR的驱动电路
1. GTR对基极驱动电路的基本要求
GTR的基极驱动电路可分为直接驱动和隔离驱动两种方式。
直接驱动方式是指驱动电路与主电路之间直接连接。
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t2
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图1-17 图5.3 GTR的开通和关断过程电流波形
5.2
关断过程
GTR的基本特性
• 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。
5.4
GTR的驱动电路
信号隔离电路由发光二极管和晶体三极管组成，它将逻辑控制电路与驱动 电路进行了电气隔离并且将信号进行预放大。
过载检测电路由二极管VD6和比较器311组成。当GTR集射极间管压降U ce 高于某一规定值时，比较器311发出过载保护信号。
控制信号综合电路由三极管VT2构成，其任务是将正常的开关驱动信号与过 载禁止信号叠加处理后送给输出级。 自适应双极性输出电路由三极管VT3、VT4、VT5和二极管VD7组成，它 起到提高开关速度的作用。
截止区 O
图5.2 共发射极接法时GTR的输出特性
5.2
(2) 动态特性
开通过程
GTR的基本特性
ib 90%Ib1 10%Ib1 0
Ib1
• 延迟时间 td 和上升时间 tr ， 二者之和为开通时间ton。
t Ib2 ton toff Ics ts tf
• 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 。
+15V
C1 R 3 R4 R2 VT 1 R1 VD1 C2 VD2 R6 R8 VD3 R10 R 11 VD4 VT3 VD 6 R12 VT 2 R14
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GTR VT5 R15
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图5.6 门极驱动电路实例1
断时间tRff (此外还有)： 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。
实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比UceR低得多。
5.3
GTR的主要参数
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。
VD 4 VD 1
C A
VD 2 VD 3
B
GTR
E
图5.5 贝克钳位电路
5.4
GTR的驱动电路
VD 1
基极驱动电流信号由A点分三路与GTR 相连接。二极管VD1与GTR的集电极相连，
C A
VD 2 VD 3
保证在正向驱动状态C点比A点电位低一个
二极管压降的数值，这样GTR的集电极至 多处于零偏臵状态而决不会出现正偏臵状 态，即GTR不可能进入深饱和区。
5.4
GTR的驱动电路
理想的GTR基极驱动电流波形如图5.5所示。
I b1 其中 是GTR的基极电流 Ib2 初始值， 是GTR导通后
并恰好运行于准饱和状态 I b3 时的正向电流值， 是当 GTR在关断时所需施加的、 足够大的基极反向电流值。
ib
I bm
0
I b2 I b3
t
图5.4 理想的基极驱动电流波形
B
GTR
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VD 4
图5.5 贝克钳位电路源自 二极管VD1称为钳位二极管，它相当于一个溢流阀的作用，使过量的输 入驱动电流不会全部流入GTR的基极，而经VD1分路至GTR的集电极一 部分，从而保证GTR始终处于准饱和状态。
这样明显地降低了存储时间，提高了GTR的开关速度。
5.4
GTR的驱动电路
VD 1
U CC
图5.6 基极驱动电路实例1
5.4
GTR的驱动电路
图5.6是一种高效自保护GTR基极驱动电路。它不但能对GTR电路的
过载提供快速可靠的保护，而且可以改善GTR的开关特性，缩短开关时 间，降低驱动功率和提高驱动效率。
电路由信号隔离电路、过载检测电路、控制信号综合电路和自适应 双极性输出电路组成。
GTR的驱动电路
与图5.5所示的基本贝克钳位电路相比，自适应驱动方式省掉了串联二极
管VD3和反并联二极管VD5，并且由于对基极的分流是在前级驱动管VT5的
基极进行的，在GTR轻载时流过VD2的电流比贝克钳位电路中流过VD1的电 流小得多，减小了驱动电流的损失，因而有利于驱动效率的提高。 该电路能够在驱动电路中实现GTR本身过载的快速保护，在GTR导通期间 不允许其管压降过高，能够避免造成功耗过大。电路中的一些辅助元件如光 电耦合器、加速电容 C1 、泄放电阻 R3 以及由二极管VD3和VD5组成的VT3 管抗饱和电路等均可减少驱动电路本身的开关时间，进而改善主电路的开关 波形。
5.2
(1) 静态特性
GTR的基本特性
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
饱和区
Ic
放大区 ib3 ib2 ib1 ib1<ib2<ib3 Uce 图1-16
基极支路中串连的二极管VD2和VD3用来 调整GTR的基极电流数值，从而可以改变
C A
VD 2 VD 3
GTR的饱和程度。 与VD2、VD3反并联的二极管VD5为反向抽
走基区载流子提供了电流通路，从而加快了 GTR的关断过程。
B
GTR
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VD 4
图5.5 贝克钳位电路
5.4
GTR的驱动电路
3. 基极驱动电路实例
ib 90%Ib1 10%Ib1 0
Ib1
t Ib2 ton toff Ics ts tf
• 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。
5.1
GTR的结构和工作原理
在应用中，GTR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
ic ib
当考虑到集电极和发射极间的漏电流 IceR 时，ic和ib 的 关系为 ic= ib +IceR
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。
5.4
2、贝克钳位电路.
GTR的驱动电路
为了提高GTR的工作速度，都以抗饱和的贝克钳位电路作为基本电路。 它使GTR工作在准饱和状态，提高了器件开关过程的快速性能，因此成为一 种被广泛采用的基本电路。 电路的具体形式如图5.5所示。 利用此电路再配以固定的反向基极 电流和固定的基极－发射极反向偏压， 即可获得较为满意的驱动效果。