【文章內(nèi)容簡介】 來關(guān)斷導(dǎo)通著的 GTO陽極電流。 ( b ) ( a ) ( c ) ( d ) ( e ) GEGDUOGRU tGOGRU tGIOGMI tAiAIO tont st ft ttofftAUO PUU? t整個(gè)關(guān)斷過程可分為三個(gè) 時(shí)間段： 存儲(chǔ)階段 ts 下降階段 tf 尾部階段 tt GTO的關(guān)斷時(shí)間 toff是 存儲(chǔ)時(shí)間 ts和下降時(shí)間 tf之 和，即： toff = ts+ tf 。關(guān) 斷時(shí)間一般高于開通時(shí)間， 大約在幾 μs到十幾 μs。 門極可關(guān)斷晶閘管的主要參數(shù) 1. 最大可關(guān)斷陽極電流 IATO ——指 GTO正常工作時(shí)，可以用門極負(fù)脈沖關(guān)斷的額定電流。 2. 關(guān)斷增益 ?off ——最大可關(guān)斷陽極電流 IATO與門極負(fù)電流最大值 IGM之比 : ATOoffGMII? ? ? ?off是表征 GTO關(guān)斷能力的參數(shù)，其值一般為 3～8。隨溫度升高，關(guān)斷增益下降。 這是 GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。 它受額定工作結(jié)溫的限制，用通態(tài)平均電流來定義： 212( ) 1A T O G MII???? ??3. 陽極尖峰電壓 UP ——在下降時(shí)間末尾出現(xiàn)的極值電壓，隨著陽極可關(guān)斷電流增大而增大。 UP過高會(huì)導(dǎo)致 GTO失效。 4. 陽極電壓上升率 du/dt—— 分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種情況。 ① 靜態(tài) du/dt—— GTO阻斷時(shí)所能承受的最大電壓上升率。 ② 動(dòng)態(tài) du/dt—— GTO在門極關(guān)斷過程中陽極電壓的上升率，也稱重加 du/dt 靜態(tài) du/dt過高時(shí)， GTO中結(jié)電容流過較大的位移電流會(huì) 使 GTO誤導(dǎo)通。 過高的動(dòng)態(tài) du/dt會(huì)使瞬時(shí)關(guān)斷功耗過大，可關(guān)斷陽極電 流下降，嚴(yán)重時(shí)造成 GTO過電壓，導(dǎo)致器件損壞。 5. 陽極電流上升率 di/dt——GTO開通過程中的電流上升速率。 di/dt過大會(huì)導(dǎo)致開通瞬間 GTO陰極區(qū)電流局部過大，開 通損耗增加，局部發(fā)熱高損壞器件。應(yīng)用時(shí)可采用串聯(lián) 緩沖電路限制。 電力晶體管 電力晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理 電力晶體管（ Giant Transistor， GTR） ——也稱巨型晶體管。 GTR的電流是由自由電子和空穴兩種載流子運(yùn)動(dòng)形成，屬于雙極型晶體管。 ( a ) 管 芯 結(jié) 構(gòu)( c ) P N P 管 符 號(hào)C 集 電 極E發(fā) 射 極N+P+N+P+PNN+ SiO2( b ) N P N 管 符 號(hào)襯 底漂 移 區(qū)基 區(qū)N+B基 極發(fā) 射 結(jié)集 電 結(jié)CBECBE?由三層半導(dǎo)體材料 構(gòu)成，有 NPN和 PNP 兩種類型。 ?結(jié)構(gòu)上可以看作是 多個(gè)晶體管單元的并 聯(lián) ?主要特性是耐壓高、 電流大、開關(guān)特性好。 目前常用的電力晶體管常見的結(jié)構(gòu)有單管、達(dá)林頓管和 GTR模塊三個(gè)系列。 1. 單管 GTR 單管 GTR常見的有 NPN型三重?cái)U(kuò)散臺(tái)面結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可靠性高、能改善器件二次擊穿特性、耐壓高、熱阻小。 2. 達(dá)林頓 GTR 單管 GTR電流增益較低，一般 10～20倍左右，使得驅(qū)動(dòng)電路負(fù)擔(dān)加重。 將兩個(gè)或兩個(gè)以上的晶體管復(fù)合在一起，類型等效有NPN型和 PNP型，其類型一般由驅(qū)動(dòng)管決定。 達(dá)林頓結(jié)構(gòu)是提高電流增益的常用辦法。 GTR必須有連續(xù)的基極驅(qū)動(dòng)電流才能維持導(dǎo)通，基極電流消失，管子自動(dòng)關(guān)斷，屬于電流控制型的全控型開關(guān)器件。 3. GTR模塊 GTR模塊是將 GTR管芯、穩(wěn)定電阻、加速二極管和續(xù)流二極管等組裝成一個(gè)單元，根據(jù)不同用途將幾個(gè)單元封裝在一個(gè)外殼之內(nèi)，引出電極構(gòu)成。 GTR模塊集成度較高，體積小，重量輕，性能 /價(jià)格比大大提高。 常見的有：單管、 雙管、四管和六管 模塊，可以很方便 地構(gòu)成各種變換電 路。 E1C2C1B1B2E2( a ) 等 效 電 路( b ) 電 氣 圖 形 符 號(hào)B1 1C1E1B1 2B1 3B2 1C2E2B2 2B2 3圖是兩個(gè)三級(jí)達(dá)林 頓 GTR構(gòu)成的單臂 橋式模塊等效電路。 電力晶體管的基本特性 1. 共發(fā)射極輸入輸出特性 截 止 區(qū)深 飽和 區(qū)放 大 區(qū)準(zhǔn) 飽 和 區(qū)( a ) 輸 入 特 性 ( b ) 輸 出 特 性BIOTOU BEUCIOCEU0BI 1BI 2I 3BI 4BI 5I BIGTR的輸入特性： 表示 GTR基 —射極間電壓與流入基極電流的關(guān)系。 GTR的輸出特性： 表示在不同電流作用下，集電極電流與集 —射極間電壓的關(guān)系。 GTR的工作狀態(tài)可分為四個(gè)區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)、準(zhǔn)飽和區(qū)和深飽和區(qū)。 ?截止區(qū)： GTR承受反壓處于關(guān)斷狀態(tài)，集電極漏電流很小。 ?放大區(qū)是 GTR線性工作區(qū)，開關(guān)狀態(tài)下的 GTR嚴(yán)禁工作于線性區(qū)。 ?準(zhǔn)飽和區(qū)：是 GTR臨界飽和導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí) ?IB≈IC，飽和壓降較高 。 ?深飽和區(qū)：隨基極電流 IB增加，當(dāng)?IB大于集電極工作電流時(shí)， GTO進(jìn)入深飽和區(qū)。 2. 開關(guān)特性 ——GTR開通、關(guān)斷過程中的瞬態(tài)特性 ( a ) 測(cè) 試 電 路V1RBRC( b ) 基 極 、 集 電 極 電 流 波 形CCUCiBiBUV? V?Bi BIO tCi CIO tdt rtont st ftofft?基極電流和集電 極電流之間存在開 關(guān)延遲時(shí)間。 ?GTR的工作過程 可以分為 開通過程 、 導(dǎo)通狀態(tài) 、 關(guān)斷過 程 和 阻斷狀態(tài) 4個(gè) 階段。 開通時(shí)間 ton包括延遲時(shí)間 td和上升時(shí)間 tr ，即開通時(shí)間 ton = td + tr 。 關(guān)斷時(shí)間 toff包括存儲(chǔ)時(shí)間 ts和下降時(shí)間 tf，即關(guān)斷時(shí)間 toff = ts + tf 。 一般 GTR的開通時(shí)間在納秒數(shù)量級(jí)，關(guān)斷時(shí)間的數(shù)值都在微秒數(shù)量級(jí)（ ts大約為 3～8μs， tf約為 1μs）。 電力晶體管的主要參數(shù) 1. 靜態(tài)參數(shù) ① 共射極電流增益 β ——共射接法下 GTR集電極電流 iC與基極電流 iB的比值，用來表示 GTR的電流放大能力。 單管 GTR的 β值較小，達(dá)林頓結(jié)構(gòu)較大。 ② 飽和壓降 UCES ——GTR工作在深飽和區(qū)集電極與發(fā)射極間的導(dǎo)通電壓。 UCES直接關(guān)系到器件的功率損耗。 2. 極限參數(shù) ——允許施加在 GTR上的電壓、電流、耗散功率和結(jié)溫等參數(shù)的最大額定值。 2. 極限參數(shù) （ 1）額定電壓 ① 最高集電極電壓額定值 BUCEO——集電極的擊穿電壓值。 擊穿電壓與器件本身和基極電路接法有關(guān)。 各種基極接法下集電極電壓間關(guān)系為： C B O C E X C E S C E R C E OB U B U B U B U B U? ? ? ? 實(shí)際使用時(shí)，最高工作電壓要比 BUCEO低得多，一般為（ 1/3～1/2） BUCEO ② 最高發(fā)射極電壓額定值 BUEBO ——在集電極開路條件下， GTR發(fā)射結(jié)能夠承受的最高反向偏置電壓其值很小，一般只有幾伏。 （ 2）額定電流 ① 集電極電流最大額定值 ICM ——隨集電極電流增加， GTR的β值下降。當(dāng) β值下降到額定值 1/2～1/3時(shí)， IC的值定為 ICM 。 使用時(shí)，應(yīng)留有裕量，實(shí)際工作電流約為 ICM/2 。 ② 基極電流最大額定值 IBM 一般 IBM≈(1/21/6) ICM，與 ICM相比裕量較大。 （ 3）集電極最大允許耗散功率 PCM —— PCM是 GTR在最高允許結(jié)溫下的耗散功率，其大小等 于管子集電極工作電壓和電流的乘積。 （ 4）額定結(jié)溫 TjM 一般由半導(dǎo)體材料、器件工藝和封裝質(zhì)量等因素決定。 二次擊穿現(xiàn)象和安全工作區(qū) 一次擊穿 ：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)， IC迅速增大。 ?只要 IC不超過限度， GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變 。 1. 二次擊穿現(xiàn)象 二次擊穿： 一次擊穿發(fā)生時(shí)， IC突然急劇上升，電壓陡然下降。 ?常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。 （ S/B） 二次擊穿按晶體管基極 —射極偏置狀態(tài)不同可以分成三類： 正偏二次擊穿 、 開路二次擊穿 和 反偏二次擊穿 。 O正 偏 （ F ）開 路 （ O ）反 偏 （ R ）ABCCI /SBP/ ()SBIF/ ()SBIO/ ()SBIRCE OBU /SBU CEUPS/B二次擊穿功耗線 可以看出，在 GTR由導(dǎo)通 狀態(tài)向截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，發(fā)生 二次擊穿的能量水平最低。 使用 GTR時(shí)應(yīng)特別注意在 關(guān)斷時(shí)對(duì)管子集電極上的 du/dt 限制。 1. 二次擊穿現(xiàn)象 2. 安全工作區(qū) （ Safe Operating Area， SOA） ?GTR運(yùn)行中，受集電極電壓 BUCEO、集電極電流 ICM、耗散功率 PCM以及二次擊穿功耗 PS/B的限制。 ? SOA分為正向偏置安全工作區(qū)（ FBSOA）和反向偏置安全工作區(qū)（ RBSOA）。 10μsA BCDEF B S O ADC 250CDC 1250C1 μ s1msOR B S O A( a ) F B S O A ( b ) R B S O ACICMI