電力電子半導(dǎo)體器件(GTR)

1、第四章 電力晶體管4.1 GTR4.1 GTR結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)雙極型大功率、高反壓晶體管雙極型大功率、高反壓晶體管GTR （巨型晶體管）（巨型晶體管） Giant TransistorGiant Transistor三層半導(dǎo)體材料，兩個(gè)三層半導(dǎo)體材料，兩個(gè)PNPN結(jié)結(jié)(NPN(NPN型、型、PNPPNP型型) )。一、工藝特點(diǎn)一、工藝特點(diǎn) 三重?cái)U(kuò)散；叉指型基極和發(fā)射極；三重?cái)U(kuò)散；叉指型基極和發(fā)射極； 特點(diǎn)：發(fā)射區(qū)高濃度摻雜特點(diǎn)：發(fā)射區(qū)高濃度摻雜 基區(qū)很薄（幾基區(qū)很?。◣譽(yù)mum幾十幾十umum）N-摻雜濃度低，提高耐壓能力摻雜濃度低，提高耐壓能力N+集電區(qū)收集電子集電區(qū)收集電子使用時(shí)要求：發(fā)射結(jié)正偏，

2、集電結(jié)反偏。使用時(shí)要求：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。二、二、GTRGTR與普通晶體管區(qū)別與普通晶體管區(qū)別1.1.普通晶體管：信號(hào)晶體管，用于放大信號(hào)；普通晶體管：信號(hào)晶體管，用于放大信號(hào)； 要求增益適當(dāng)，要求增益適當(dāng)，f fT T高，噪聲系數(shù)低，線性度好，溫度漂移高，噪聲系數(shù)低，線性度好，溫度漂移 和時(shí)間漂移小。工作于放大區(qū)，以載流子運(yùn)動(dòng)為出發(fā)點(diǎn)，和時(shí)間漂移小。工作于放大區(qū)，以載流子運(yùn)動(dòng)為出發(fā)點(diǎn)， 分析載流子擴(kuò)散、漂移、復(fù)合現(xiàn)象。電流控制特性為線性分析載流子擴(kuò)散、漂移、復(fù)合現(xiàn)象。電流控制特性為線性 關(guān)系。關(guān)系。2.GTR2.GTR：用于功率開關(guān)；：用于功率開關(guān)； 要求容量足夠大，高電壓，大電流，適

3、當(dāng)增益，較高工作要求容量足夠大，高電壓，大電流，適當(dāng)增益，較高工作 速度，較低功率損耗。速度，較低功率損耗。3.3.大電流工作下，普通晶體管出現(xiàn)的新特點(diǎn)：大電流工作下，普通晶體管出現(xiàn)的新特點(diǎn)： 基區(qū)大注入效應(yīng)：引起電流增益下降?；鶇^(qū)大注入效應(yīng)：引起電流增益下降。 基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)：使基區(qū)注入效率降低，增益基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)：使基區(qū)注入效率降低，增益下降，下降，f fT T減小。減小。 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)：引起電流局部集中，產(chǎn)生局部過熱。發(fā)射極電流集邊效應(yīng)：引起電流局部集中，產(chǎn)生局部過熱。 因此，因此，GTRGTR在結(jié)構(gòu)上應(yīng)采取適當(dāng)措施，減小上述效應(yīng)。在結(jié)構(gòu)上應(yīng)采取適當(dāng)措施，減小上述效應(yīng)。 三、單管三、單

4、管GTR 采用三重?cái)U(kuò)散，臺(tái)面型結(jié)構(gòu)；可靠性高，對(duì)二次擊穿特性采用三重?cái)U(kuò)散，臺(tái)面型結(jié)構(gòu)；可靠性高，對(duì)二次擊穿特性有改善，易于提高耐壓，易于耗散體內(nèi)熱量。有改善，易于提高耐壓，易于耗散體內(nèi)熱量。 增加增加N N- -漂移區(qū)，由它的電阻率和厚度決定器件阻斷能力，漂移區(qū)，由它的電阻率和厚度決定器件阻斷能力，但阻斷能力提高，使飽和導(dǎo)通電阻增大，電流增益降低。但阻斷能力提高，使飽和導(dǎo)通電阻增大，電流增益降低。 一般：一般： 約約1020 1020 工作狀態(tài)：開關(guān)狀態(tài)（導(dǎo)通、截止；開通、關(guān)斷）工作狀態(tài)：開關(guān)狀態(tài)（導(dǎo)通、截止；開通、關(guān)斷）飽和壓降低飽和壓降低漏電流小漏電流小時(shí)間短時(shí)間短四、達(dá)林頓四、達(dá)林頓GT

5、RGTR為提高電流增益，由兩個(gè)或兩個(gè)以上晶體管復(fù)合組成。為提高電流增益，由兩個(gè)或兩個(gè)以上晶體管復(fù)合組成。NPN型型PNP型型驅(qū)動(dòng)管驅(qū)動(dòng)管輸出管輸出管特點(diǎn)：特點(diǎn)： 電流增益電流增益增大：增大： 1 1 2 2 ，達(dá)幾十倍幾千倍；，達(dá)幾十倍幾千倍；飽和壓降飽和壓降V VCESCES增大：增大：V VCESCES V VCES1CES1+V+VBES2BES2 V V2 2管無法飽和導(dǎo)通，管無法飽和導(dǎo)通，V VCE2CE2=V=VCES1 CES1 ，反偏狀態(tài)；導(dǎo)通損耗增大。，反偏狀態(tài)；導(dǎo)通損耗增大。開關(guān)速度慢：開通時(shí)，開關(guān)速度慢：開通時(shí)，V V1 1驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)V V2 2； 關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷時(shí)，V V1

6、 1先關(guān)斷，先關(guān)斷，V V2 2才能關(guān)斷，且才能關(guān)斷，且V V2 2關(guān)斷關(guān)斷 無瀉流通路。無瀉流通路。改進(jìn)改進(jìn)： R1、R2穩(wěn)定電阻，提高溫度穩(wěn)定穩(wěn)定電阻，提高溫度穩(wěn)定性和電流通路。性和電流通路。 VD1引入，加速引入，加速V2、V1的同時(shí)關(guān)斷，的同時(shí)關(guān)斷，引出引出B2極可另外控制。極可另外控制。五、五、GTRGTR模塊模塊 將將GTRGTR管芯、穩(wěn)定電阻管芯、穩(wěn)定電阻R R1 1R R2 2、加速二極管、加速二極管V VD1D1、續(xù)流二極管、續(xù)流二極管V VD2D2組成一個(gè)單元。將幾個(gè)單元組合在一個(gè)外殼內(nèi)組成一個(gè)單元。將幾個(gè)單元組合在一個(gè)外殼內(nèi)模塊。模塊。 利用集成工藝將上述單元集成于同一硅

7、片上，器件集成度高，利用集成工藝將上述單元集成于同一硅片上，器件集成度高，小型輕量化，性能小型輕量化，性能/ /價(jià)格比高。價(jià)格比高。單臂橋式電路模塊單臂橋式電路模塊B1B2C1E2E1C2單相橋式電路模塊；三相橋式電路模塊；單相橋式電路模塊；三相橋式電路模塊；4.2 GTR4.2 GTR特性與參數(shù)特性與參數(shù)一、靜態(tài)特性與參數(shù)一、靜態(tài)特性與參數(shù)1共射輸出特性：共射輸出特性：發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏VCES很小很小臨界飽和臨界飽和斷態(tài)，漏電流很小斷態(tài)，漏電流很小放大區(qū)放大區(qū)嚴(yán)禁工作嚴(yán)禁工作2飽和壓降：飽和壓降：如圖：如圖：GTR深飽和時(shí)，等效電路；深飽和時(shí)，等效電路；VBES：基極

8、正向壓降：基極正向壓降 通態(tài)下，通態(tài)下，B-E極電壓；極電壓；VCES：飽和壓降：飽和壓降 通態(tài)下，通態(tài)下，C-E極電壓；極電壓；一般，由于發(fā)射區(qū)高濃度摻雜，一般，由于發(fā)射區(qū)高濃度摻雜，rES可忽略；可忽略； VCES的大小，的大小，關(guān)系器件導(dǎo)通功率損耗。達(dá)林頓管，關(guān)系器件導(dǎo)通功率損耗。達(dá)林頓管，VCES、VBES較大。較大。TC35-400型型GTR：電流：電流50A， = 5 = 5；V VCESCES隨隨I IC C電流增大而增大；電流增大而增大；I IC C不變時(shí)，隨溫度增加而增加。不變時(shí)，隨溫度增加而增加。V VBESBES隨隨I IC C電流增大而增大；小電流下，隨溫度增大而減小，

9、電流增大而增大；小電流下，隨溫度增大而減小，PNPN結(jié)負(fù)溫度系數(shù)。大電流下，隨溫度增大而增大。結(jié)負(fù)溫度系數(shù)。大電流下，隨溫度增大而增大。飽和壓降特性曲線飽和壓降特性曲線基極正向壓降特性曲線基極正向壓降特性曲線TC=250CVCE=400VTC=250CVCE=2VTC=1250C，VCE=2VTC=250C，VCE=2V3共射電流增益共射電流增益 ：反映反映GTRGTR的電流放大能力，的電流放大能力，I IC C與與I IB B比值。比值。GTRGTR正向偏置時(shí)，正向偏置時(shí)，F(xiàn) F隨隨I IC C減減小而減小，基區(qū)復(fù)合電流占的小而減小，基區(qū)復(fù)合電流占的比例增大。比例增大。隨隨I IC C增大，

10、增大，增大，增大，I IC C增大增大到一定程度到一定程度=max=max，I IC C再增再增大，由于基區(qū)大注入效應(yīng)、基大，由于基區(qū)大注入效應(yīng)、基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)，區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)，開始下降。開始下降。管子溫度相同時(shí)，管子溫度相同時(shí)，V VCECE越大，越大，越大。越大。隨溫度增加而增加，大電流下，隨溫度增加而增加，大電流下，隨溫度增加而減小。隨溫度增加而減小。GTRGTR反接時(shí)，反接時(shí)，很小。很小。4最大額定值最大額定值極限參數(shù)極限參數(shù) 由由GTR材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)水平、制造工藝決定。材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)水平、制造工藝決定。最高電壓額定值：最高電壓額定值： BVBVCEOCEO，BVBVCBOCBO，BVB

11、VCESCES，BVBVCERCER，BVBVCEXCEX O O：另一極開路；：另一極開路；S S：短路；：短路；R R：外接電阻；：外接電阻；X X：反向偏置；：反向偏置；Va:：IB=0時(shí)，時(shí)，IC電流急劇電流急劇 增加時(shí)電壓；增加時(shí)電壓；Vb:：IE=0時(shí)，時(shí)，IC電流急劇電流急劇 增加時(shí)電壓；增加時(shí)電壓； 一般：一般：另：另：BVEBO集電極開路時(shí)，發(fā)射結(jié)最高反向偏置電壓。集電極開路時(shí)，發(fā)射結(jié)最高反向偏置電壓。 幾伏，典型值幾伏，典型值8V。最大電流額定值：最大電流額定值：大電流下，三種物理效應(yīng)會(huì)使大電流下，三種物理效應(yīng)會(huì)使GTR電氣性能變差，甚至損壞器件。電氣性能變差，甚至損壞器件

12、。集電極電流最大額定值集電極電流最大額定值ICM： ICM定義：定義：a.以以值下降到額定值值下降到額定值1/21/2到到1/31/3時(shí)，對(duì)應(yīng)時(shí)，對(duì)應(yīng)I IC C值。值。 b.以結(jié)溫和耗散功率為尺度確定以結(jié)溫和耗散功率為尺度確定ICM。最大脈沖電流額定值：最大脈沖電流額定值： 直流直流ICM的的1.5倍定額；引起內(nèi)部引線熔斷的集電極電流；倍定額；引起內(nèi)部引線熔斷的集電極電流； 引起集電結(jié)損壞的集電極電流。引起集電結(jié)損壞的集電極電流?；鶚O電流最大額定值基極電流最大額定值IBM： 內(nèi)部引線允許流過的最大基極電流，約為（內(nèi)部引線允許流過的最大基極電流，約為（1/21/6）ICM最高結(jié)溫最高結(jié)溫TJM

13、 塑封，硅管：塑封，硅管：1251250 01501500 0C C； 金屬封裝，硅管：金屬封裝，硅管：1501500 01751750 0C C； 高可靠平面管：高可靠平面管：1751750 02002000 0C C；最大功耗最大功耗P PCMCM P PCMCM = V = VCECE I IC C 受結(jié)溫限制，使用時(shí)注意散熱條件。受結(jié)溫限制，使用時(shí)注意散熱條件。例：例：3DF203DF20型型GTRGTR各最大額定值參數(shù)：各最大額定值參數(shù)：二、動(dòng)態(tài)特性與參數(shù)二、動(dòng)態(tài)特性與參數(shù) 動(dòng)態(tài)特性是動(dòng)態(tài)特性是GTR開關(guān)過程的瞬態(tài)性能，稱開關(guān)特性；主要受開關(guān)過程的瞬態(tài)性能，稱開關(guān)特性；主要受結(jié)電容（

14、勢(shì)壘電容、擴(kuò)散電容）充、放電和兩種載流子運(yùn)動(dòng)影結(jié)電容（勢(shì)壘電容、擴(kuò)散電容）充、放電和兩種載流子運(yùn)動(dòng)影響。響。 如圖：如圖：TC40U400型型GTR動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)電路和電流波形動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)電路和電流波形電路參數(shù)：電路參數(shù)：VCC=200V；RC=10 ； RB1=4.7 ； RB2=1.2 ；1開通時(shí)間開通時(shí)間ton： ton = td + tr （ns級(jí)，很?。┘?jí)，很?。?td：延遲時(shí)間，基極電流向發(fā)射結(jié)電容充電。大小取決于結(jié)：延遲時(shí)間，基極電流向發(fā)射結(jié)電容充電。大小取決于結(jié) 電容大小、驅(qū)動(dòng)電流大小和上升率，及反偏時(shí)電壓大小。電容大小、驅(qū)動(dòng)電流大小和上升率，及反偏時(shí)電壓大小。 tr：上升時(shí)間，

15、取決于穩(wěn)定電流和驅(qū)動(dòng)電流大小。：上升時(shí)間，取決于穩(wěn)定電流和驅(qū)動(dòng)電流大小。2關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff： toff = ts + tf ts：存儲(chǔ)時(shí)間，過剩載流子從體內(nèi)抽走時(shí)間，由反向驅(qū)動(dòng)電：存儲(chǔ)時(shí)間，過剩載流子從體內(nèi)抽走時(shí)間，由反向驅(qū)動(dòng)電 流大小決定。流大小決定。(3us) tf：下降時(shí)間，取決于結(jié)電容、正向集電極電流大小。：下降時(shí)間，取決于結(jié)電容、正向集電極電流大小。(1us)說明：為加速開通，采用過驅(qū)動(dòng)方法，但基區(qū)過剩大量載流子，說明：為加速開通，采用過驅(qū)動(dòng)方法，但基區(qū)過剩大量載流子， 關(guān)斷時(shí)，載流子耗散嚴(yán)重影響關(guān)斷時(shí)間；關(guān)斷時(shí)，載流子耗散嚴(yán)重影響關(guān)斷時(shí)間； 減小關(guān)斷時(shí)間，可選用電流增益小的

16、器件，防止深飽和，減小關(guān)斷時(shí)間，可選用電流增益小的器件，防止深飽和， 增加反向驅(qū)動(dòng)電流。增加反向驅(qū)動(dòng)電流。3集電極電壓上升率集電極電壓上升率dv/dt對(duì)對(duì)GTR的影響的影響 當(dāng)當(dāng)GTR用于橋式變換電路時(shí)，如圖：用于橋式變換電路時(shí)，如圖：B1B2C1E2E1C2 dv/dt產(chǎn)生的過損耗現(xiàn)象嚴(yán)重威脅器件和電路安全；當(dāng)基極產(chǎn)生的過損耗現(xiàn)象嚴(yán)重威脅器件和電路安全；當(dāng)基極開路時(shí)，開路時(shí)， dv/dt通過集電結(jié)寄生電容產(chǎn)生容性位移電流，注入通過集電結(jié)寄生電容產(chǎn)生容性位移電流，注入發(fā)射結(jié)形成基極電流，放大發(fā)射結(jié)形成基極電流，放大倍后，形成集電極電流，使倍后，形成集電極電流，使GTRGTR進(jìn)入放大區(qū)，因瞬時(shí)電

17、流過大引起二次擊穿。在進(jìn)入放大區(qū)，因瞬時(shí)電流過大引起二次擊穿。在GTRGTR換流關(guān)斷換流關(guān)斷時(shí)，時(shí)，dv/dtdv/dt會(huì)引起正在關(guān)斷的會(huì)引起正在關(guān)斷的GTRGTR誤導(dǎo)通，造成橋臂直通。誤導(dǎo)通，造成橋臂直通。 抑制抑制dv/dt，可在集射極間并聯(lián)，可在集射極間并聯(lián)RCD緩沖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行吸收。緩沖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行吸收。三、二次擊穿與安全工作區(qū)三、二次擊穿與安全工作區(qū)（一）二次擊穿現(xiàn)象（一）二次擊穿現(xiàn)象 一次擊穿電壓一次擊穿電壓BVCEO ；發(fā)生一次擊穿后，電流急劇增大，；發(fā)生一次擊穿后，電流急劇增大，若外接有限流電阻，不會(huì)損壞若外接有限流電阻，不會(huì)損壞GTR。否則，集電極電流繼續(xù)增。否則，集電極電流繼續(xù)增大

18、，在某電壓、電流點(diǎn)產(chǎn)生向低阻抗區(qū)高速移動(dòng)的負(fù)阻現(xiàn)象，大，在某電壓、電流點(diǎn)產(chǎn)生向低阻抗區(qū)高速移動(dòng)的負(fù)阻現(xiàn)象，稱為稱為二次擊穿。用二次擊穿。用S/B表示。表示。 二次擊穿時(shí)間很短，納秒到微秒數(shù)量級(jí)，短時(shí)間內(nèi)的大電二次擊穿時(shí)間很短，納秒到微秒數(shù)量級(jí)，短時(shí)間內(nèi)的大電流會(huì)使器件內(nèi)出現(xiàn)明顯的電流集中和過熱點(diǎn)（熱斑），輕者使流會(huì)使器件內(nèi)出現(xiàn)明顯的電流集中和過熱點(diǎn)（熱斑），輕者使GTR耐壓降低，性能變差；嚴(yán)重時(shí)，集電結(jié)、發(fā)射結(jié)熔通，永耐壓降低，性能變差；嚴(yán)重時(shí)，集電結(jié)、發(fā)射結(jié)熔通，永久損壞。久損壞。 二次擊穿按偏置狀態(tài)分為兩種：正偏二次擊穿和反偏二次二次擊穿按偏置狀態(tài)分為兩種：正偏二次擊穿和反偏二次擊穿。擊穿

19、。1正偏二次擊穿：正偏二次擊穿：BE結(jié)正偏，結(jié)正偏，GTR工作于放大區(qū)。工作于放大區(qū)。PP+P+N+BBEN+N如圖，如圖，GTR正偏時(shí)，由于正偏時(shí)，由于基極與發(fā)射極在同一平面，基極與發(fā)射極在同一平面，基區(qū)電阻存在，使發(fā)射結(jié)各基區(qū)電阻存在，使發(fā)射結(jié)各點(diǎn)的偏置電壓不同，邊緣大點(diǎn)的偏置電壓不同，邊緣大而中心小。同時(shí)存在的集而中心小。同時(shí)存在的集射電場(chǎng)將電流集中到發(fā)射極射電場(chǎng)將電流集中到發(fā)射極邊緣下很窄的區(qū)域內(nèi)，造成邊緣下很窄的區(qū)域內(nèi)，造成電電流局部集中，電流密度大，溫度升高，出現(xiàn)負(fù)阻現(xiàn)象，嚴(yán)重流局部集中，電流密度大，溫度升高，出現(xiàn)負(fù)阻現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)造成熱點(diǎn)、熱斑，使時(shí)造成熱點(diǎn)、熱斑，使PN結(jié)失效。結(jié)

20、失效。熱點(diǎn)嚴(yán)重程度與基區(qū)寬度成反比；與集電極外加電壓成正比。熱點(diǎn)嚴(yán)重程度與基區(qū)寬度成反比；與集電極外加電壓成正比。2反偏二次擊穿：反偏二次擊穿：GTR導(dǎo)通導(dǎo)通 截止變化時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏。截止變化時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏。 存儲(chǔ)電荷存在，使存儲(chǔ)電荷存在，使CE間仍流過電流，由于基區(qū)電阻間仍流過電流，由于基區(qū)電阻存在，使發(fā)射極與基極相接的周邊反偏電壓大，中心反偏很存在，使發(fā)射極與基極相接的周邊反偏電壓大，中心反偏很弱，甚至仍為正偏。造成發(fā)射極下，基區(qū)的橫向電場(chǎng)由中心弱，甚至仍為正偏。造成發(fā)射極下，基區(qū)的橫向電場(chǎng)由中心指向邊緣，形成集電極電流被集中于發(fā)射結(jié)中心很小局部的指向邊緣，形成集電極電流被集中于發(fā)射結(jié)中心

21、很小局部的不均勻現(xiàn)象。在該局部電流密度很高，形成二次擊穿熱點(diǎn)。不均勻現(xiàn)象。在該局部電流密度很高，形成二次擊穿熱點(diǎn)。 一般，比正向偏置時(shí)低很多的能量水平下，即可發(fā)生二一般，比正向偏置時(shí)低很多的能量水平下，即可發(fā)生二次擊穿。次擊穿。 影響二次擊穿的因素：集電極電壓、電流；負(fù)載性質(zhì)；影響二次擊穿的因素：集電極電壓、電流；負(fù)載性質(zhì)；導(dǎo)通脈沖寬度；基極電路的配置、材料和工藝等。導(dǎo)通脈沖寬度；基極電路的配置、材料和工藝等。 二次擊穿由于器件芯片局部過熱引起，熱點(diǎn)形成需要能二次擊穿由于器件芯片局部過熱引起，熱點(diǎn)形成需要能量積累，需要一定的電壓、電流數(shù)值和一定的時(shí)間。量積累，需要一定的電壓、電流數(shù)值和一定的時(shí)

22、間。二次擊穿特性曲線：二次擊穿特性曲線： IS/B：二次擊穿觸發(fā)電流：二次擊穿觸發(fā)電流PS/B：二次擊穿觸發(fā)功率：二次擊穿觸發(fā)功率 PS/B = IS/B * * VCE集射極保持電壓集射極保持電壓外加電壓越高，電流更易集中而產(chǎn)生熱點(diǎn)，外加電壓越高，電流更易集中而產(chǎn)生熱點(diǎn)， IS/B下降。下降。（二）安全工作區(qū)：（二）安全工作區(qū)：SOA GTR運(yùn)行中受電壓、電流、功率損耗和二次擊穿定額限運(yùn)行中受電壓、電流、功率損耗和二次擊穿定額限制的安全工作范圍。制的安全工作范圍。正向偏置安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū)FBSOA反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)RBSOA反向關(guān)斷電流反向關(guān)斷電流脈沖寬度脈沖寬

23、度直流安全工作區(qū)直流安全工作區(qū)四、溫度特性與散熱四、溫度特性與散熱 半導(dǎo)體器件特性參數(shù)隨溫度升高而變差，如：耐壓降低，半導(dǎo)體器件特性參數(shù)隨溫度升高而變差，如：耐壓降低，VCES升高、升高、IC增大、輸出功率下降，增大、輸出功率下降，PCM和和PS/B下降，安全區(qū)下降，安全區(qū)面積縮小。面積縮小。 為保證為保證GTR不超過規(guī)定的結(jié)溫，應(yīng)根據(jù)容量等級(jí)配以相不超過規(guī)定的結(jié)溫，應(yīng)根據(jù)容量等級(jí)配以相應(yīng)的散熱器和采用相應(yīng)的冷卻方式。否則，會(huì)因結(jié)溫過高導(dǎo)應(yīng)的散熱器和采用相應(yīng)的冷卻方式。否則，會(huì)因結(jié)溫過高導(dǎo)致熱損壞。致熱損壞。 減小減小GTR的發(fā)熱，應(yīng)從根本上減小功耗。在開關(guān)狀態(tài)的發(fā)熱，應(yīng)從根本上減小功耗。在開

24、關(guān)狀態(tài)下工作的下工作的GTR，功耗由靜態(tài)導(dǎo)通功耗、動(dòng)態(tài)開關(guān)損耗和基極，功耗由靜態(tài)導(dǎo)通功耗、動(dòng)態(tài)開關(guān)損耗和基極驅(qū)動(dòng)功耗三部分。減小導(dǎo)通壓降，采用緩沖電路、改變主電驅(qū)動(dòng)功耗三部分。減小導(dǎo)通壓降，采用緩沖電路、改變主電路形式（諧振型）均可減小功耗，減少發(fā)熱。路形式（諧振型）均可減小功耗，減少發(fā)熱。 GTR靜態(tài)參數(shù)：靜態(tài)參數(shù)：GTR動(dòng)態(tài)參數(shù)：動(dòng)態(tài)參數(shù)：4.3 GTR4.3 GTR驅(qū)動(dòng)和保護(hù)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)一、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原則一、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原則1GTR的特點(diǎn)的特點(diǎn) 全控型器件，功率大，熱容量小，過載能力低。全控型器件，功率大，熱容量小，過載能力低。 與與SCR相比，具有自關(guān)斷能力，使相比，具有自關(guān)斷能力，使

25、DCAC，DCDC，ACAC變換電路的變換方式靈活，控制方便，主電路結(jié)構(gòu)變換電路的變換方式靈活，控制方便，主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但簡(jiǎn)單。但GTR驅(qū)動(dòng)方式直接影響管子工作狀態(tài)和管子特性。驅(qū)動(dòng)方式直接影響管子工作狀態(tài)和管子特性。 如：過驅(qū)動(dòng)（驅(qū)動(dòng)電流大）可減小開通損耗，降低導(dǎo)通壓如：過驅(qū)動(dòng)（驅(qū)動(dòng)電流大）可減小開通損耗，降低導(dǎo)通壓降，但對(duì)關(guān)斷不利，增加關(guān)斷損耗，對(duì)管子降，但對(duì)關(guān)斷不利，增加關(guān)斷損耗，對(duì)管子di/dt影響很大。影響很大。 GTR過載過載/短路時(shí)，短路時(shí)，us級(jí)時(shí)間內(nèi)，結(jié)溫會(huì)超過最大允許值，級(jí)時(shí)間內(nèi)，結(jié)溫會(huì)超過最大允許值，導(dǎo)致器件損壞，不能用快速熔斷器、過流繼電器（導(dǎo)致器件損壞，不能用快速熔斷

26、器、過流繼電器（ms級(jí)）進(jìn)級(jí)）進(jìn)行主電路切斷保護(hù)。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，需快速檢測(cè)，對(duì)控行主電路切斷保護(hù)。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，需快速檢測(cè)，對(duì)控制信號(hào)加以關(guān)斷（緩關(guān)斷），因此驅(qū)動(dòng)與保護(hù)密切聯(lián)系。制信號(hào)加以關(guān)斷（緩關(guān)斷），因此驅(qū)動(dòng)與保護(hù)密切聯(lián)系。2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原則驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原則最優(yōu)化驅(qū)動(dòng)特性：應(yīng)提高開關(guān)速度，減小開關(guān)損耗。最優(yōu)化驅(qū)動(dòng)特性：應(yīng)提高開關(guān)速度，減小開關(guān)損耗。開通時(shí)：基極電流上升沿快速且短開通時(shí)：基極電流上升沿快速且短時(shí)過沖，加速開通。時(shí)過沖，加速開通。導(dǎo)通后：導(dǎo)通后：VCES較低，導(dǎo)通損耗小。較低，導(dǎo)通損耗小。為減小關(guān)斷時(shí)間，應(yīng)工作在準(zhǔn)飽和為減小關(guān)斷時(shí)間，應(yīng)工作在準(zhǔn)飽和狀態(tài)。狀態(tài)。關(guān)斷時(shí)：提

27、供反向驅(qū)動(dòng)電流，加速關(guān)斷時(shí)：提供反向驅(qū)動(dòng)電流，加速載流子耗散，縮短關(guān)斷時(shí)間，減小載流子耗散，縮短關(guān)斷時(shí)間，減小關(guān)斷損耗。關(guān)斷損耗。驅(qū)動(dòng)方式：由驅(qū)動(dòng)方式：由主電路主電路結(jié)構(gòu)決定結(jié)構(gòu)決定 直接驅(qū)動(dòng)：簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)、推挽驅(qū)動(dòng)、抗飽和驅(qū)動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)：簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)、推挽驅(qū)動(dòng)、抗飽和驅(qū)動(dòng) 隔離驅(qū)動(dòng)：光電隔離、電磁隔離隔離驅(qū)動(dòng)：光電隔離、電磁隔離快速保護(hù)功能：快速保護(hù)功能： GTRGTR故障時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保護(hù)故障時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保護(hù)GTRGTR。 如如: :抗飽和、退抗飽和、過流、過壓、過熱、脈寬限制、抗飽和、退抗飽和、過流、過壓、過熱、脈寬限制、 智能化自保護(hù)能力。智能化自保護(hù)能力。二、基極驅(qū)動(dòng)

28、電路基本形式二、基極驅(qū)動(dòng)電路基本形式（一）恒流驅(qū)動(dòng)電路：（一）恒流驅(qū)動(dòng)電路： 基極電流恒定，不隨基極電流恒定，不隨IC電流變化而變化。電流變化而變化。 IB ICmax / 問題問題:空載、輕載時(shí)，飽和深度加劇，存儲(chǔ)時(shí)間大，關(guān)斷時(shí)間長?？蛰d、輕載時(shí)，飽和深度加劇，存儲(chǔ)時(shí)間大，關(guān)斷時(shí)間長。改進(jìn)改進(jìn)：1抗飽和電路（貝克嵌位電路）抗飽和電路（貝克嵌位電路）VD2存在，使存在，使GTR導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)b-c結(jié)處于零偏或輕微結(jié)處于零偏或輕微正偏，基極多余電流由正偏，基極多余電流由VD2從集電極流出，管從集電極流出，管子處于準(zhǔn)飽和狀態(tài)。子處于準(zhǔn)飽和狀態(tài)。VCES=VBE+VD1VD2=VBEVD1、VD2抗飽

29、和二極管；根據(jù)不同情況調(diào)整抗飽和二極管；根據(jù)不同情況調(diào)整VD1數(shù)量，控制數(shù)量，控制VCES大小。大小。VD2應(yīng)選快速二極管，耐壓與應(yīng)選快速二極管，耐壓與GTR一致，電流一致，電流 IBVD1、VD3為普通二極管，為普通二極管，VD1反向恢復(fù)有助于反向恢復(fù)有助于GTR關(guān)斷。關(guān)斷。缺點(diǎn)：導(dǎo)通損耗增大。缺點(diǎn)：導(dǎo)通損耗增大。截止反偏驅(qū)動(dòng)電路截止反偏驅(qū)動(dòng)電路 目的：關(guān)斷時(shí)加反偏驅(qū)動(dòng)，迅速抽出基區(qū)過剩載流子，減目的：關(guān)斷時(shí)加反偏驅(qū)動(dòng)，迅速抽出基區(qū)過剩載流子，減 小存儲(chǔ)時(shí)間，加速小存儲(chǔ)時(shí)間，加速GTR關(guān)斷。關(guān)斷。 單極性脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路單極性脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路VAVB缺點(diǎn)：變壓器單邊工作，有直流磁化現(xiàn)象，

30、鐵心體積大。缺點(diǎn)：變壓器單邊工作，有直流磁化現(xiàn)象，鐵心體積大。 反偏電壓大小隨導(dǎo)通時(shí)間變化。反偏電壓大小隨導(dǎo)通時(shí)間變化。ttVA00VBW3回饋能量回饋能量電容儲(chǔ)能式驅(qū)動(dòng)電路電容儲(chǔ)能式驅(qū)動(dòng)電路工作原理：工作原理：Vi高電平，高電平，*端為正，端為正，W2經(jīng)經(jīng)GTR的的B-E結(jié)、結(jié)、C、VD2使使GTR導(dǎo)通，導(dǎo)通，V截止，電容截止，電容C充電。充電。Vi低電平，低電平，*端為負(fù)，端為負(fù)， VD2截止，截止，W2經(jīng)還在導(dǎo)通的經(jīng)還在導(dǎo)通的B-E結(jié)、結(jié)、R2、V發(fā)射結(jié)、發(fā)射結(jié)、C使使V迅速飽和導(dǎo)通，迅速飽和導(dǎo)通，電容電容C上電壓反加于上電壓反加于GTR的的B-E結(jié)，結(jié)，GTR迅速截止。迅速截止。下一次

31、導(dǎo)通前，下一次導(dǎo)通前，C上電壓經(jīng)上電壓經(jīng)VD1、R1、R2、 V發(fā)射結(jié)放電完畢。發(fā)射結(jié)放電完畢。固定反偏互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路固定反偏互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路（二）比例驅(qū)動(dòng)電路（二）比例驅(qū)動(dòng)電路 使使GTR基極電流正比于集電極電流變化，在不同負(fù)載時(shí)，基極電流正比于集電極電流變化，在不同負(fù)載時(shí)，管子飽和深度基本相同，而且輕載時(shí)，驅(qū)動(dòng)功率大大減小。管子飽和深度基本相同，而且輕載時(shí)，驅(qū)動(dòng)功率大大減小。1反激式比例驅(qū)動(dòng)電路反激式比例驅(qū)動(dòng)電路特點(diǎn)：靠正反饋加速特點(diǎn)：靠正反饋加速GTR開通，當(dāng)工作頻率較高時(shí)，分布參開通，當(dāng)工作頻率較高時(shí)，分布參數(shù)影響使開通速度變慢。數(shù)影響使開通速度變慢。2具有強(qiáng)制開通、強(qiáng)制關(guān)斷的比例驅(qū)動(dòng)電路具

32、有強(qiáng)制開通、強(qiáng)制關(guān)斷的比例驅(qū)動(dòng)電路特點(diǎn)：電路復(fù)雜。特點(diǎn)：電路復(fù)雜。三、過電流檢測(cè)與保護(hù)三、過電流檢測(cè)與保護(hù) GTR運(yùn)行時(shí)，過流檢測(cè)能保證管子正常工作。要求檢測(cè)電路運(yùn)行時(shí)，過流檢測(cè)能保證管子正常工作。要求檢測(cè)電路靈敏度高，響應(yīng)快。靈敏度高，響應(yīng)快。（一）狀態(tài)識(shí)別法（一）狀態(tài)識(shí)別法 GTR過載或短路時(shí)，集電極電流急劇變化，引起基極電壓過載或短路時(shí)，集電極電流急劇變化，引起基極電壓VBE，集電極電壓，集電極電壓VCE相應(yīng)變化。相應(yīng)變化。 管子開通時(shí)，電流上升越快，管子開通時(shí)，電流上升越快，VBE變化越大。如變化越大。如GTR短路短路時(shí)開通，監(jiān)測(cè)時(shí)開通，監(jiān)測(cè)VBE變化，確認(rèn)故障快。但導(dǎo)通后，較輕過載時(shí)

33、，變化，確認(rèn)故障快。但導(dǎo)通后，較輕過載時(shí)，監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)VBE靈敏度低。靈敏度低。 但但VCE電壓監(jiān)測(cè)適合過載電流保護(hù)，但不適合短路電流保電壓監(jiān)測(cè)適合過載電流保護(hù)，但不適合短路電流保護(hù)，二者結(jié)合，效果較好。護(hù)，二者結(jié)合，效果較好。VBE識(shí)別電路識(shí)別電路VCE識(shí)別電路識(shí)別電路存在問題：保護(hù)電路存在盲區(qū)，等存在問題：保護(hù)電路存在盲區(qū)，等GTR開通后，保護(hù)電路開通后，保護(hù)電路 才能使用。才能使用。典型典型VCE識(shí)別電路：識(shí)別電路：GTRVCE（二）橋臂互鎖保護(hù)法（二）橋臂互鎖保護(hù)法檢測(cè)電路檢測(cè)電路檢測(cè)電路檢測(cè)電路當(dāng)逆變器運(yùn)行時(shí)，由于當(dāng)逆變器運(yùn)行時(shí)，由于GTR關(guān)斷時(shí)間過長、驅(qū)動(dòng)信號(hào)失誤重關(guān)斷時(shí)間過長、驅(qū)動(dòng)信

34、號(hào)失誤重疊、或某一疊、或某一GTR損壞，導(dǎo)致橋臂直通，損壞器件。利用互鎖損壞，導(dǎo)致橋臂直通，損壞器件。利用互鎖可保證管子一個(gè)關(guān)斷后，另一個(gè)才能開通?？杀ＷC管子一個(gè)關(guān)斷后，另一個(gè)才能開通。1電流法檢測(cè)電路：電流互感器，電流法檢測(cè)電路：電流互感器，LEM霍爾元件霍爾元件 其中其中 LEM是磁場(chǎng)平衡式霍爾電流傳感器，反映速度是磁場(chǎng)平衡式霍爾電流傳感器，反映速度1us，一次、二次絕緣電壓一次、二次絕緣電壓2KV，無慣性、線性度好、使用簡(jiǎn)單、，無慣性、線性度好、使用簡(jiǎn)單、方便。方便。 利用電流法判斷時(shí)，存在問題，如特定負(fù)載下，利用電流法判斷時(shí)，存在問題，如特定負(fù)載下，GTR導(dǎo)導(dǎo)通，但無集電極電流，判斷發(fā)

35、生錯(cuò)誤。通，但無集電極電流，判斷發(fā)生錯(cuò)誤。2電壓法檢測(cè)電路：由電壓法檢測(cè)電路：由VBE電壓判斷管子狀態(tài)，更加可靠。電壓判斷管子狀態(tài)，更加可靠。（三）實(shí)用驅(qū)動(dòng)電路（三）實(shí)用驅(qū)動(dòng)電路要求：信號(hào)隔離，過電流保護(hù)，過電壓保護(hù)，抗飽和導(dǎo)通，要求：信號(hào)隔離，過電流保護(hù)，過電壓保護(hù)，抗飽和導(dǎo)通， 信號(hào)互鎖等。信號(hào)互鎖等。常用：由小規(guī)模集成電路構(gòu)成的專用驅(qū)動(dòng)電路常用：由小規(guī)模集成電路構(gòu)成的專用驅(qū)動(dòng)電路 混合微膜組件驅(qū)動(dòng)電路（三菱混合微膜組件驅(qū)動(dòng)電路（三菱M57917L） 集成化驅(qū)動(dòng)電路（法國集成化驅(qū)動(dòng)電路（法國UAA4002） 4.4 4.4 緩沖電路緩沖電路一、概述一、概述 緩沖電路也稱吸收電路，在電力半導(dǎo)

36、體器件應(yīng)用中有著緩沖電路也稱吸收電路，在電力半導(dǎo)體器件應(yīng)用中有著極其重要的作用。極其重要的作用。 開關(guān)元件開通時(shí)，流過大電流；關(guān)斷時(shí)，承受高反壓；開關(guān)元件開通時(shí)，流過大電流；關(guān)斷時(shí)，承受高反壓；開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間，電路中各種儲(chǔ)能元件能量釋放，導(dǎo)致器件沖開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間，電路中各種儲(chǔ)能元件能量釋放，導(dǎo)致器件沖擊很大，造成器件超出安全工作區(qū)而損壞。吸收電路用來減擊很大，造成器件超出安全工作區(qū)而損壞。吸收電路用來減小器件在電路中承受的各種應(yīng)力（電、熱），如：浪涌電壓、小器件在電路中承受的各種應(yīng)力（電、熱），如：浪涌電壓、dv/dt、di/dt等。應(yīng)力越低，器件可靠性越高。等。應(yīng)力越低，器件可靠性越高。 吸收電

37、路還能減少開關(guān)損耗，避免二次擊穿，抑制電磁吸收電路還能減少開關(guān)損耗，避免二次擊穿，抑制電磁干擾，提高可靠性。干擾，提高可靠性。 1GTR開關(guān)波形及緩沖電路作用：開關(guān)波形及緩沖電路作用：無緩沖電路無緩沖電路 圖圖b為復(fù)合緩沖電路，為復(fù)合緩沖電路，LS開通保護(hù)，限制開通保護(hù)，限制di/dt；CS、VDS緩沖電路，緩沖電路，限制限制dv/dt；RD放電回路，消耗能量。放電回路，消耗能量。2種類種類耗能式緩沖電路：用電阻消耗緩沖電路吸收的開關(guān)損耗，耗能式緩沖電路：用電阻消耗緩沖電路吸收的開關(guān)損耗，簡(jiǎn)單，效率低。簡(jiǎn)單，效率低。饋能式緩沖電路：將開關(guān)損耗以一定方式送至負(fù)載或回饋給電源，饋能式緩沖電路：將開關(guān)損耗以一定方式送至負(fù)載或回饋給電源， 復(fù)雜，效率高。復(fù)雜，效率高。二、二、耗能式緩沖電路耗能式緩沖電路（一）關(guān)斷緩沖電路（一）關(guān)斷緩沖電路電容為電容為0電容較小電容較小電容較大電容較大緩沖電容越大，關(guān)斷損耗越小，關(guān)斷時(shí)間長緩沖電容越大，關(guān)斷損耗越小，關(guān)斷時(shí)間長同時(shí)，同時(shí)，C