电力晶体管按英文Giant Transistor--GTR,是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor-BJT),所以有时也称为Power BJT;但其驱动电路复杂,驱动功率大;GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。

1.电力晶体管分类及图形符号

 

电力晶体管分类

目前常用的电力晶体管的单管、达林顿管和模块这3种类型。

1、 单管电力晶体管
NPN三重扩散台面型结构是单管电力晶体管的典型结构,这种结构可靠性高,能改善器件的二次击穿特性,易于提高耐压能力,并易于散出内部热量。

2、 达林顿电力晶体管
达林顿结构的电力晶体管是由2个或多个晶体管复合而成,可以是PNP型也可以是NPN型,其性质取决于驱动管,它与普通复合三极管相似。达林顿结构的电力晶体管电流放大倍数很大,可以达到几十至几千倍。虽然达林顿结构大大提高了电流放大倍数,但其饱和管压降却增加了,增大了导通损耗,同时降低了管子的工作速度。

3、 电力晶体管模块
目前作为大功率的开关应用还是电力晶体管模块,它是将电力晶体管管芯及为了改善性能的1个元件组装成1个单元,然后根据不同的用途将几个单元电路构成模块,集成在同一硅片上。这样,大大提高了器件的集成度、工作的可靠性和性能/价格比,同时也实现了小型轻量化。目前生产的电力晶体管模块,可将多达6个相互绝缘的单元电路制在同一个模块内,便于组成三相桥电路。

 

电力晶体管图形符号

电力晶体管通常用GTR表示,GTR是巨型晶体管Giant Transis tor的缩写。电力晶体管的电流是由电子和空穴两种载流子运动而形成的,故又称为双极型电力晶体管。

在各种自关断器件中,电力晶体管的应用最为广泛。在数百千瓦以下的低压电力电子装置中,使用最多的就是电力晶体管。

电力晶体管的结构和工作原理都和小功率晶体管非常类似。电力晶体管是由三层硅半导体、两个PN结构成的。它和小功率晶体管一样,也有PNP和NPN两种结构。因为在同样结构参数和物理参数的条件下,NPN晶体管比PNP晶体管性能优越得多,所以高压大功率电力晶体管多用NPN结构,本节主要研究这种结构的器件。

图1-a是NPN型电力晶体管的结构图,图1-b是其电气图形符号。大多数电力晶体管是用三重扩散法制作的,或者是在集电区高掺杂的N+硅衬底上用外延生长法生长一层N漂移层,然后在上面扩散P基区,接着扩散高掺杂的N+发射区。基极和发射极在一个平面上制成叉指式,以减少电流集中,提高器件的通流能力。

电力晶体管分类及图形符号

(图片来源于互联网)

 

2.电力晶体管结构及工作原理

 

电力晶体管有与一般双极型晶体管相似的结构、工作原理和特性。它们都是3层半导体,2个PN结的三端器件,有PNP和NPN这2种类型,但GTR多采用NPN型。

在应用中,GTR一般采用共发射极接法。集电极电流i c与基极电流i b的比值为

β=i c/i b 式中,β称为GTR的电流放大系数,它反映出基极电流对集电极电流的控制能力。单管GTR的电流放大系数很小,通常为10左右。

在考虑集电极和发射极之间的漏电流时,

i c=βi b+I c e o (2)

GTR的结构和工作原理与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。

最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好。

电力晶体管结构及工作原理

(图片来源于互联网)

 

3.电力晶体管特点

 

1、输出电压

可以采用脉宽调制方式,故输出电压为幅值等于直流电压的强脉冲序列。

2、载波频率

由于电力晶体管的开通和关断时间较长,故允许的载波频率较低,大部分变频器的上限载波频率约为1.2~1.5kHz左右。

3、电流波形

因为载波频率较低,故电流的高次谐波成分较大。这些高次谐波电流将在硅钢片中形成涡流,并使硅钢片相互间因产生电磁力而振动,并产生噪音。又因为载波频率处于人耳对声音较为敏感的区域,故电动机的电磁噪音较强。

4、输出转矩

因为电流中高次谐波的成分较大,故在50Hz时,电动机轴上的输出转矩与工频运行时相比,略有减小。

电力晶体管特点

(图片来源于互联网)