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1、第四章 电力晶体管 4.1 GTR结构 双极型大功率、高反压晶体管GTR （巨型晶体管） Giant Transistor 三层半导体材料，两个PN结(NPN型、PNP型)。 一、工艺特点 三重扩散；叉指型基极和发射极； 特点：发射区高浓度掺杂 基区很薄（几um几十um） N-掺杂浓度低，提高耐压能力 N+集电区收集电子 使用时要求：发射结正偏，集电结反偏。 二、GTR与普通晶体管区别 1.普通晶体管：信号晶体管，用于放大信号； 要求增益适当，fT高，噪声系数低，线性度好，温度漂移 和时间漂移小。工作于放大区，以载流子运动为出发点， 分析载流子扩散、漂移、复合现象。电流控制特性为线性 关系。
2、2.GTR：用于功率开关； 要求容量足够大，高电压，大电流，适当增益，较高工作 速度，较低功率损耗。 3.大电流工作下，普通晶体管出现的新特点： 基区大注入效应：引起电流增益下降。 基区扩展效应：使基区注入效率降低，增益下降，fT减小。 发射极电流集边效应：引起电流局部集中，产生局部过热。 因此，GTR在结构上应采取适当措施，减小上述效应。 三、单管GTR 采用三重扩散，台面型结构；可靠性高，对二次击穿特性 有改善，易于提高耐压，易于耗散体内热量。 增加N-漂移区，由它的电阻率和厚度决定器件阻断能力， 但阻断能力提高，使饱和导通电阻增大，电流增益降低。 一般： 约1020 工作状态：开关状态（
3、导通、截止；开通、关断） 饱和压降低漏电流小时间短 四、达林顿GTR 为提高电流增益，由两个或两个以上晶体管复合组成。 NPN型 PNP型 驱动管 输出管 特点： 电流增益增大： 1 2 ，达几十倍几千倍； 饱和压降VCES增大：VCES VCES1+VBES2 V2管无法饱和导通，VCE2=VCES1 ，反偏状态；导通损耗增大。 开关速度慢：开通时，V1驱动V2； 关断时，V1先关断，V2才能关断，且V2关断 无泻流通路。 改进： R1、R2稳定电阻，提高温度稳定 性和电流通路。 VD1引入，加速V2、V1的同时关断 ，引出B2极可另外控制。 五、GTR模块 将GTR管芯、稳定电阻R1R2、
4、加速二极管VD1、续流二极管VD2 组成一个单元。将几个单元组合在一个外壳内模块。 利用集成工艺将上述单元集成于同一硅片上，器件集成度高 ，小型轻量化，性能/价格比高。 单臂桥式电路模块 B1 B2 C1 E2 E1C2 单相桥式电路模块；三相桥式电路模块； 4.2 GTR特性与参数 一、静态特性与参数 1共射输出特性： 发射结正偏 集电结反偏 VCES很小 临界饱和 断态，漏电流很小 放大区 严禁工作 2饱和压降： 如图：GTR深饱和时，等效电路； VBES：基极正向压降 通态下，B-E极电压； VCES：饱和压降 通态下，C-E极电压； 一般，由于发射区高浓度掺杂，rES可忽略； VCES
5、的大小， 关系器件导通功率损耗。达林顿管，VCES、VBES较大。 TC35-400型GTR：电流50A， = 5； VCES随IC电流增大而增大；IC不变时，随温度增加而增加。 VBES随IC电流增大而增大；小电流下，随温度增大而减小， PN结负温度系数。大电流下，随温度增大而增大。 饱和压降特性曲线基极正向压降特性曲线 TC=250C VCE=400V TC=250C VCE=2V TC=1250C，VCE=2V TC=250C，VCE=2V 3共射电流增益 ：反映GTR的电流放大能力，IC与IB比值。 GTR正向偏置时，F随IC减 小而减小，基区复合电流占的 比例增大。 随IC增大，增大
6、，IC增大 到一定程度=max，IC再增 大，由于基区大注入效应、基 区扩展效应，开始下降。 管子温度相同时，VCE越大，越大。 随温度增加而增加，大电流下，随温度增加而减小。 GTR反接时，很小。 4最大额定值极限参数 由GTR材料、结构、设计水平、制造工艺决定。 最高电压额定值： BVCEO，BVCBO，BVCES，BVCER，BVCEX O：另一极开路；S：短路；R：外接电阻；X：反向偏置； Va:：IB=0时，IC电流急剧 增加时电压； Vb:：IE=0时，IC电流急剧 增加时电压； 一般： 另：BVEBO集电极开路时，发射结最高反向偏置电压。 几伏，典型值8V。 最大电流额定值： 大
7、电流下，三种物理效应会使GTR电气性能变差，甚至损坏器件 。 集电极电流最大额定值ICM： ICM定义：a.以值下降到额定值1/2到1/3时，对应IC值。 b.以结温和耗散功率为尺度确定ICM。 最大脉冲电流额定值： 直流ICM的1.5倍定额；引起内部引线熔断的集电极电流； 引起集电结损坏的集电极电流。 基极电流最大额定值IBM： 内部引线允许流过的最大基极电流，约为（1/21/6）ICM 最高结温TJM 塑封，硅管：12501500C； 金属封装，硅管：15001750C； 高可靠平面管：17502000C； 最大功耗PCM PCM = VCE IC 受结温限制，使用时注意散热条件。 例：3
8、DF20型GTR各最大额定值参数： 二、动态特性与参数 动态特性是GTR开关过程的瞬态性能，称开关特性；主要受 结电容（势垒电容、扩散电容）充、放电和两种载流子运动影 响。 如图：TC40U400型GTR动态特性实验电路和电流波形 电路参数： VCC=200V；RC=10 ； RB1=4.7 ； RB2=1.2 ； 1开通时间ton： ton = td + tr （ns级，很小） td：延迟时间，基极电流向发射结电容充电。大小取决于结 电容大小、驱动电流大小和上升率，及反偏时电压大小。 tr：上升时间，取决于稳定电流和驱动电流大小。 2关断时间toff： toff = ts + tf ts：存
9、储时间，过剩载流子从体内抽走时间，由反向驱动电 流大小决定。(3us) tf：下降时间，取决于结电容、正向集电极电流大小。(1us) 说明：为加速开通，采用过驱动方法，但基区过剩大量载流子， 关断时，载流子耗散严重影响关断时间； 减小关断时间，可选用电流增益小的器件，防止深饱和， 增加反向驱动电流。 3集电极电压上升率dv/dt对GTR的影响 当GTR用于桥式变换电路时，如图： B1 B2 C1 E2 E1C 2 dv/dt产生的过损耗现象严重威胁器件和电路安全；当基极 开路时， dv/dt通过集电结寄生电容产生容性位移电流，注入 发射结形成基极电流，放大倍后，形成集电极电流，使GTR 进入放
10、大区，因瞬时电流过大引起二次击穿。在GTR换流关断 时，dv/dt会引起正在关断的GTR误导通，造成桥臂直通。 抑制dv/dt，可在集射极间并联RCD缓冲网络进行吸收。 三、二次击穿与安全工作区 （一）二次击穿现象 一次击穿电压BVCEO ；发生一次击穿后，电流急剧增大， 若外接有限流电阻，不会损坏GTR。否则，集电极电流继续增 大，在某电压、电流点产生向低阻抗区高速移动的负阻现象， 称为二次击穿。用S/B表示。 二次击穿时间很短，纳秒到微秒数量级，短时间内的大电 流会使器件内出现明显的电流集中和过热点（热斑），轻者使 GTR耐压降低，性能变差；严重时，集电结、发射结熔通，永 久损坏。 二次击
11、穿按偏置状态分为两种：正偏二次击穿和反偏二次 击穿。 1正偏二次击穿：BE结正偏，GTR工作于放大区。 P P+ P+N+ BBE N+ N 如图，GTR正偏时，由于 基极与发射极在同一平面， 基区电阻存在，使发射结各 点的偏置电压不同，边缘大 而中心小。同时存在的集 射电场将电流集中到发射极 边缘下很窄的区域内，造成 电 流局部集中，电流密度大，温度升高，出现负阻现象，严重 时造成热点、热斑，使PN结失效。 热点严重程度与基区宽度成反比；与集电极外加电压成正比 。 2反偏二次击穿：GTR导通 截止变化时，发射结反偏。 存储电荷存在，使CE间仍流过电流，由于基区电阻存 在，使发射极与基极相接的
12、周边反偏电压大，中心反偏很弱 ，甚至仍为正偏。造成发射极下，基区的横向电场由中心指 向边缘，形成集电极电流被集中于发射结中心很小局部的不 均匀现象。在该局部电流密度很高，形成二次击穿热点。 一般，比正向偏置时低很多的能量水平下，即可发生二 次击穿。 影响二次击穿的因素：集电极电压、电流；负载性质； 导通脉冲宽度；基极电路的配置、材料和工艺等。 二次击穿由于器件芯片局部过热引起，热点形成需要能 量积累，需要一定的电压、电流数值和一定的时间。 二次击穿特性曲线： IS/B：二次击穿触发电流 PS/B：二次击穿触发功率 PS/B = IS/B * VCE 集射极保持电压 外加电压越高，电流更易集中而
13、产生热点， IS/B下降。 （二）安全工作区：SOA GTR运行中受电压、电流、功率损耗和二次击穿定额限 制的安全工作范围。 正向偏置安全工作区FBSOA反向偏置安全工作区RBSOA 反向关断电流 脉冲宽度 直流安全工作区 四、温度特性与散热 半导体器件特性参数随温度升高而变差，如：耐压降低 ，VCES升高、IC增大、输出功率下降，PCM和PS/B下降，安全 区面积缩小。 为保证GTR不超过规定的结温，应根据容量等级配以相 应的散热器和采用相应的冷却方式。否则，会因结温过高导 致热损坏。 减小GTR的发热，应从根本上减小功耗。在开关状态 下工作的GTR，功耗由静态导通功耗、动态开关损耗和基极
14、驱动功耗三部分。减小导通压降，采用缓冲电路、改变主电 路形式（谐振型）均可减小功耗，减少发热。 GTR静态参数： GTR动态参数： 4.3 GTR驱动和保护 一、驱动电路设计原则 1GTR的特点 全控型器件，功率大，热容量小，过载能力低。 与SCR相比，具有自关断能力，使DCAC，DCDC， ACAC变换电路的变换方式灵活，控制方便，主电路结构简 单。但GTR驱动方式直接影响管子工作状态和管子特性。 如：过驱动（驱动电流大）可减小开通损耗，降低导通压 降，但对关断不利，增加关断损耗，对管子di/dt影响很大。 GTR过载/短路时，us级时间内，结温会超过最大允许值， 导致器件损坏，不能用快速熔
15、断器、过流继电器（ms级）进 行主电路切断保护。在系统出现故障时，需快速检测，对控 制信号加以关断（缓关断），因此驱动与保护密切联系。 2驱动电路设计原则 最优化驱动特性：应提高开关速度，减小开关损耗。 开通时：基极电流上升沿快速且短 时过冲，加速开通。 导通后：VCES较低，导通损耗小。 为减小关断时间，应工作在准饱和 状态。 关断时：提供反向驱动电流，加速 载流子耗散，缩短关断时间，减小 关断损耗。 驱动方式：由主电路结构决定 直接驱动：简单驱动、推挽驱动、抗饱和驱动 隔离驱动：光电隔离、电磁隔离 快速保护功能： GTR故障时，自动关断基极驱动信号，保护GTR。 如:抗饱和、退抗饱和、过流、过压、过热、脉宽限制、 智能化自保护能力。 二、基极驱动电路基本形式 （一）恒流驱动电路： 基极电流恒定，不随IC电流变化而变化。 IB ICmax /
