第5章 电力晶体管GTR

+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
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
+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
U CC
ui
_
A
B 311 C +
R9
VD7 VT 4
E
D
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。
+15V
C1 R 3 R4 R2 VT 1 R1 VD1 C2 VD2 R6 R8 VD3 R10 R 11 VD 4 VT3 VD 6 R12 VT 2 R14
U CC
ui
_
A
B 311 C +
R9
VD7 VT 4
E
VD8
D
VD 5 C3
GTR VT5 R15
R5
R7 R13
U CC
5.4
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 。
+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
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
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