2.3 功率晶體管

2.3.1 功率晶體管的結(jié)構(gòu)

功率晶體管是一種雙極型大功率高反壓晶體管，因?yàn)槠涔β噬醮笏杂址Q做巨型晶體管，簡(jiǎn)稱GTR。GTR是由三層半導(dǎo)體材料兩個(gè)PN結(jié)組成的，三層半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)形式可以是PNP，也可以是NPN。大多數(shù)雙極型功率晶體管是在重?fù)诫s的N+硅襯底上，用外延生長法在N+上生長一層N漂移層，然后在漂移層上擴(kuò)散P基區(qū)，接著擴(kuò)散N+發(fā)射區(qū)，因此稱為三重?cái)U(kuò)散。基極與發(fā)射極在一個(gè)平面上做成叉指形以減小電流集中和提高器件電流處理能力。NPN三重?cái)U(kuò)散臺(tái)面型GTR的結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖2-21（a）所示，圖中摻雜濃度高的N+區(qū)稱為GTR的發(fā)射區(qū)，其作用是向基區(qū)注入載流子。基區(qū)是一個(gè)厚度為幾微米至幾十微米之間的P型半導(dǎo)體薄層，它的任務(wù)是傳送和控制載流子。集電區(qū)N+是收集載流子的，常在集電區(qū)中設(shè)置輕摻雜的N-區(qū)以提高器件的耐壓能力。不同類型半導(dǎo)體區(qū)的交界處則形成PN結(jié)，發(fā)射區(qū)與基區(qū)交界處的PN結(jié)J1稱為發(fā)射結(jié)；集電區(qū)與基區(qū)交界處的PN結(jié)J2稱為集電結(jié)。兩個(gè)PN結(jié)J1和J2通過很薄的基區(qū)聯(lián)系起來，為了使發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，就要在發(fā)射結(jié)上加正向偏置電壓UEE（簡(jiǎn)稱正偏電壓），要保證注入到基區(qū)的電子能夠經(jīng)過基區(qū)后傳輸?shù)郊妳^(qū)，就必須在集電結(jié)上施加反向偏置電壓UCC（簡(jiǎn)稱反偏電壓），如圖2-21（b）所示。

功率晶體管大多做功率開關(guān)使用，對(duì)它的要求主要是有足夠的容量（高電壓、大電流）、適當(dāng)?shù)脑鲆妗⑤^高的工作速度和較低的功率損耗等。由于功率晶體管的功率損耗大、工作電流大，因此必須注意其工作時(shí)出現(xiàn)的基區(qū)大注入效應(yīng)、基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)和發(fā)射極電流集邊效應(yīng)等問題。

基區(qū)大注入效應(yīng)是指基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度達(dá)到或超過摻雜濃度時(shí)器件的注入效率降低，少數(shù)載流子擴(kuò)散系數(shù)變大，體內(nèi)少數(shù)載流子壽命下降，以致嚴(yán)重影響GTR的電流增益的現(xiàn)象。

基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)是指在大電流條件下有效基區(qū)變寬的效應(yīng)。器件在小電流狀態(tài)工作時(shí)的集電結(jié)寬度主要由基區(qū)摻雜濃度決定，因此其增益β值是固定的；但在大電流條件下，由于基區(qū)中少數(shù)載流子大量增加造成集電結(jié)寬度收縮，因而使有效基區(qū)變寬。基區(qū)的擴(kuò)展導(dǎo)致注入效率降低，增益β下降、特征頻率減小。

發(fā)射極電流集邊效應(yīng)也稱基極電阻自偏壓效應(yīng)，是由于在大電流條件下基區(qū)的橫向壓降使發(fā)射極電流分配不均勻所造成的。在這種情況下，電流的分布較多地集中在靠近基極的發(fā)射極周邊上，引起電流的局部集中而導(dǎo)致局部過熱。

為了減小三種物理效應(yīng)的影響，必須在結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)措施以保證適合大功率應(yīng)用的需要。目前常用的GTR器件有單管、達(dá)林頓管和模塊三大系列。

1．單管GTR

NPN三重?cái)U(kuò)散臺(tái)面型結(jié)構(gòu)是單管GTR的典型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可靠性高，能改善器件的二次擊穿特性，易于提高耐壓能力，并且易于耗散內(nèi)部熱量。GTR是用基極電流控制集電極電流的電流型控制器件，N漂移層的電阻率和厚度決定器件的關(guān)斷能力，電阻率高厚度大則可使關(guān)斷能力提高，但卻導(dǎo)致導(dǎo)通飽和電阻的增大和電流增益的降低。一般單管GTR的電流增益都很低，約10～20。

2．達(dá)林頓管GTR

電流增益低將給驅(qū)動(dòng)電路造成負(fù)擔(dān)，達(dá)林頓結(jié)構(gòu)是提高電流增益的一種有效方式。達(dá)林頓結(jié)構(gòu)由兩個(gè)晶體管或多個(gè)晶體管復(fù)合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性質(zhì)由驅(qū)動(dòng)管來決定。圖2-22（a）為兩個(gè)NPN管組成的達(dá)林頓管GTR，當(dāng)然其性質(zhì)是NPN型；圖2-22（b）為由PNP型晶體管和NPN型晶體管組成的達(dá)林頓管GTR，其性質(zhì)為PNP型。圖中的VT1為驅(qū)動(dòng)管，VT2為輸出管。達(dá)林頓管GTR的共射極電流增益β值大大提高，但飽和壓降UCES也較高且關(guān)斷速度較慢。圖2-22（c）為實(shí)用的達(dá)林頓連接方式。由圖可見驅(qū)動(dòng)管VT1的發(fā)射極電流IC1等于輸出管VT2的基極電流IB2，因此有下述關(guān)系：

式中，β≈β1β2。式（2-1）意味著晶體管VT1、VT2已復(fù)合，等效為一個(gè)電流增益為β的晶體管，復(fù)合管的集電極電流IC=IC1+IC2，基極電流IB=IB1，發(fā)射極電流IE≈（1+β）IB1。達(dá)林頓GTR的電流增益可為幾十倍至幾千倍。

達(dá)林頓連接方式雖然提高了電流增益，但飽和壓降卻增加了。由于驅(qū)動(dòng)管VT1的集電極和發(fā)射極分別與輸出管VT2的集電極和基極連接，而VT1的集電極電位又永遠(yuǎn)高于它的發(fā)射極電位，因此VT2的集電結(jié)永遠(yuǎn)不會(huì)處于正向偏置狀態(tài)。也就是說，達(dá)林頓GTR中驅(qū)動(dòng)管VT1可以飽和，而輸出管VT2卻永遠(yuǎn)不會(huì)飽和，因而其飽和壓降UCE較高，增加了導(dǎo)通損耗。達(dá)林頓管GTR的飽和管壓降可表示為

圖2-22中的電阻R1和R2提供反向漏電流通路，提高復(fù)合管的溫度穩(wěn)定性。

達(dá)林頓管GTR的開關(guān)速度慢，主要是因?yàn)闊o論是導(dǎo)通或是關(guān)斷時(shí)總是先要驅(qū)動(dòng)管工作，然后才是輸出管工作，因此開關(guān)時(shí)間長。為了加快VT2的開關(guān)速度，必須使VT2與VT1同時(shí)動(dòng)作。為此加入了圖2-22中所示的二極管VD1，當(dāng)輸入信號(hào)反向關(guān)斷晶體管時(shí)，輸入反向驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)VD1也加到VT2基極，VD1為反向IB2提供了通路，加速了VT2的關(guān)斷過程。

3.GTR模塊

目前作為大功率開關(guān)應(yīng)用最多的還是GTR模塊，它將GTR管芯、穩(wěn)定電阻R1、R2，加速二極管VD1及續(xù)流二極管VD2等組裝成一個(gè)單元，然后根據(jù)不同用途將幾個(gè)單元電路組裝在一個(gè)外殼之內(nèi)構(gòu)成模塊。將上述單元電路集成制作在同一硅片上，大大提高了器件的集成度，使其小型化、輕量化，性/價(jià)比大大提高。圖2-23所示為由兩個(gè)三級(jí)達(dá)林頓管GTR及其輔助元器件構(gòu)成的單臂橋式電路模塊的等效電路。為了便于改善器件的開關(guān)過程和并聯(lián)使用，中間級(jí)晶體管的基極均有引線引出，如圖中BC11、BC12等端子。目前生產(chǎn)的GTR模塊可將多達(dá)6個(gè)互相絕緣的單元電路做在同一模塊內(nèi)，可很方便地組成三相橋。

2.3.2 特性與參數(shù)

1．靜態(tài)特性與參數(shù)

1）共射極電路的輸出特性

共射極電路的輸出特性是指集電結(jié)的電壓—電流特性，如圖2-24所示。圖中，將GTR的工作狀態(tài)劃分為4個(gè)明顯不同的區(qū)域：關(guān)斷區(qū)、線性區(qū)、準(zhǔn)飽和區(qū)和深飽和區(qū)。關(guān)斷區(qū)又稱為截止區(qū)，其特征類似于開關(guān)處于斷態(tài)的情況。該區(qū)對(duì)應(yīng)于基極電流IB為零的條件，GTR承受高電壓而僅有極小的漏電流存在。在這一區(qū)域，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于反向偏置狀態(tài)。線性區(qū)又稱放大區(qū)。晶體管工作在這一區(qū)域時(shí)，集電極電流與基極電流呈線性關(guān)系，特性曲線近似平直。該區(qū)的特點(diǎn)是集電結(jié)仍處于反向偏置而發(fā)射結(jié)為正向偏置狀態(tài)。對(duì)工作于開關(guān)狀態(tài)的GTR來說，應(yīng)當(dāng)盡量避免工作于線性區(qū)，否則功耗將會(huì)很大。深飽和區(qū)的特征類似于開關(guān)處于導(dǎo)通時(shí)的情況，在這一區(qū)域中，基極電流變化時(shí)，集電極電流不再隨之變化，電流增益與導(dǎo)通電壓均很小。工作于這一區(qū)域的GTR，其發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正向偏置狀態(tài)。準(zhǔn)飽和區(qū)是指線性區(qū)與深飽和區(qū)之間的一段區(qū)域，即特性曲線明顯彎曲的部分。在此區(qū)域中，隨著基極電流的增加，開始出現(xiàn)基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，電流增益開始下降，集電極電流與基極電流之間不再呈線性關(guān)系，但仍保持著集電結(jié)反向偏置、發(fā)射結(jié)正向偏置的特點(diǎn)。

2）飽和壓降特性

處于深飽和區(qū)的GTR集電極電壓被稱做飽和壓降，用UCES表示。此時(shí)的基射極電壓稱做基極正向壓降，用UBES表示。本來它們是GTR輸出特性和輸入特性的一個(gè)局部，但在大功率應(yīng)用中變成了兩項(xiàng)重要指標(biāo)，因?yàn)樗鼈冎苯雨P(guān)系到器件的導(dǎo)通功率損耗，有必要較詳細(xì)地分析討論。工作于深飽和區(qū)的GTR等效電路如圖2-25所示。圖中，UC、UE分別表示飽和狀態(tài)時(shí)集電結(jié)和發(fā)射結(jié)上的壓降。這兩個(gè)PN結(jié)均為正向偏置狀態(tài)。rB表示基區(qū)橫向電阻，rCS和rES分別表示集電區(qū)和發(fā)射區(qū)的等效體電阻。按照等效電路的關(guān)系可得以下關(guān)系式

一般情況下，由于發(fā)射區(qū)摻雜濃度極高，rES可以忽略。

圖2-26所示為Marconi公司生產(chǎn)的TC35—400型50A GTR的典型飽和壓降特性曲線，該器件的直流電流增益β=5。由圖可以看出，飽和壓降UCES隨著集電極電流增加而增加；在IC不變的情況下，UCES則隨殼溫的增加而增加，圖中TC為管殼溫度。

圖2-27所示為同一器件的基極正向壓降特性曲線，由圖可以看出，基極正向壓降UBES也是隨集電極電流的增加而增加，由于UBES是由UE和IBrB兩項(xiàng)組成的，其中UE是負(fù)溫度系數(shù)而rB是正溫度系數(shù)，所以UBES與溫度的關(guān)系要復(fù)雜一些。在小電流情況下UE起主導(dǎo)作用，溫度增加UBES減小；在大電流情況下IBrB起主要作用，因此溫度增加UBES亦隨之增加。表現(xiàn)在圖2-27中則是對(duì)應(yīng)兩種不同溫度下的基極正向壓降特性曲線有交點(diǎn)，在交點(diǎn)的左側(cè)為小電流條件，溫度高時(shí)UBES較低；在交點(diǎn)的右側(cè)為大電流條件，溫度高時(shí)UBES則較高。

達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的GTR不可能進(jìn)入深飽和區(qū)，因而飽和壓降大。

3）共射極電流增益β

共射極電流增益β是指共射極電路中GTR集電極電流IC與基極電流IB的比值，它表示GTR的電流放大能力。圖2-28所示為在不同殼溫和不同集電極通態(tài)電壓時(shí)共射極電流增益β與集電極電流IC的關(guān)系曲線。圖2-28（a）中曲線βF的下角字符F表示器件為正向接法，如圖2-28（b）所示；圖2-28（a）中的下角字符R表示器件為反向接法，其電路如圖2-28（c）所示。曲線的測(cè)試條件為：管殼溫度TC為25℃, UC E為2 V 曲線的測(cè)試條件是：TC為25℃, UC E為400V 曲線的測(cè)試條件是：TC=125℃, UCE為2V; βR曲線的測(cè)試條件是：TC=25℃, UCE為-2V。圖2-28中各曲線說明GTR的共射極電流增益β并不是一個(gè)固定的常數(shù)，它隨管殼溫度TC和集電極電流IC的變化而變化。

綜合三條曲線的變化規(guī)律可以看出，對(duì)正向偏置情況，在小電流條件下，β隨集電極電流IC減小而減小，這是因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)的復(fù)合電流在發(fā)射極電流中占的比例較大，從而使注入效率減小的緣故。隨著IC的增加，復(fù)合電流的影響減弱，注入效率提高，β則隨之增大。當(dāng)復(fù)合電流的影響可以忽略時(shí)，增益值可達(dá)其最大值βmax。以后當(dāng)IC很大時(shí)，由于基區(qū)大注入效應(yīng)和基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)的影響使β值迅速減小。

比較曲線和可以看出，在管殼溫度TC和集電極電流IC相同的條件下，正向電流增益βF隨集電極電壓UCE的增加而增加。這是因?yàn)榧錁O電壓的增加相當(dāng)于增大了集電結(jié)的反向偏置電壓，使集電結(jié)變厚，基區(qū)寬度擴(kuò)展效應(yīng)削弱，并提高了GTR的電流傳輸能力，因而使β值隨集電極電壓的增加而增加。

比較曲線和3可以看出，在中間電流范圍內(nèi)，β值隨溫度的增加而增加；在大電流情況下，β值將隨溫度的增加而減小。

GTR在反向接法時(shí)，由于把原來的集電區(qū)作為發(fā)射區(qū)使用，其摻雜濃度低，注入能力很小，因此反向電流增益βR很小。

4）最大額定值

最大額定值是指允許施加于GTR上的電壓、電流、耗散功率及結(jié)溫等的極限數(shù)值。它們是由GTR的材料性能、結(jié)構(gòu)方式、制造工藝等因素所決定的，在使用中絕對(duì)不能超越這些參數(shù)極限。

（1）最高集電極電壓額定值

最高集電極電壓額定值是指集電極的擊穿電壓值，它不僅因器件的不同而不同，即使是同一器件，也會(huì)由于基極電路條件的不同而不同。圖2-29所示為GTR在不同接線方式下的最高集電極電壓額定值，包括UCBO、UCEO、UCES、UCER和UCEX。圖2-29（a）為發(fā)射結(jié)開路時(shí)集電結(jié)承受電壓的情況，圖2-29（b）為發(fā)射結(jié)開路時(shí)集射極間加電壓的情況，圖2-29（c）為發(fā)射結(jié)短路條件下集射極間加電壓的情況，圖2-29（d）為發(fā)射結(jié)間有外接電阻的情況，圖2-29（e）則為發(fā)射結(jié)接有反向偏壓的情況。圖2-29（f）畫出了上述五種接線方式下各自相應(yīng)的伏安特性曲線，分別用B、E、S、R、X表示，相應(yīng)的擊穿電壓用UCBO、UCEO、UCES、UCER和UCEX表示。圖中的Ua和Ub則表示IB=0和IE=0情況下對(duì)應(yīng)電流失控時(shí)的電壓值。一般情況下

Ub＞UCEX＞UCES＞UCER＞Ua

此外，還有發(fā)射極電壓最大額定值，它是指在集電極開路條件下發(fā)射結(jié)允許的最高反向偏置電壓值，用UEBO表示。由于發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，具有很高的注入效率，所以UEBO通常只有幾伏，典型值為8V。

為防止器件在使用時(shí)因電壓超過極限值而損壞，除適當(dāng)選用管型外，還需增設(shè)若干過電壓保護(hù)措施，以確保工作安全。

（2）最大電流額定值

在大電流條件時(shí)出現(xiàn)的基極大注入效應(yīng)、基極擴(kuò)展效應(yīng)和發(fā)射極集邊效應(yīng)會(huì)使GTR的電氣性能變差，甚至使器件損壞，因此必須注意規(guī)定集電極電流的最大額定值ICM。對(duì)于ICM的規(guī)定有兩種方法：一種是以β值的下降情況為尺度來確定ICM，一般以β值下降到額定值的1/2～1/3時(shí)的IC值定為ICM。另一種是以結(jié)溫和耗散功率為尺度來確定ICM，這主要是考慮到GTR在低壓范圍內(nèi)使用時(shí)，飽和壓降對(duì)功率損耗的影響已不可忽視，在這種情況下，允許以耗散功率的大小來確定ICM值。

還有最大脈沖電流的額定值，定額的依據(jù)是引起內(nèi)部引線熔斷的集電極電流，或是引起集電結(jié)損壞的集電極電流；或以直流ICM的1.5～3倍定額脈沖ICM。

基極電流也有最大額定值的規(guī)定，常用IBM來表示。IBM規(guī)定為內(nèi)引線允許流過的最大基極電流，通常取IBM≈（1/2～1/6）ICM。與ICM相比通常裕量很大。

（3）最高結(jié)溫額定值

GTR的最高結(jié)溫TjM由半導(dǎo)體材料性質(zhì)、器件鈍化工藝、封裝質(zhì)量及它們的可靠性要求等因素所決定。一般情況下，塑料封裝的硅管結(jié)溫TjM為125～150℃，金屬封裝的硅管TjM為150～175℃，高可靠平面管的TjM為175～200℃。

（4）最大功耗額定值

最大功耗額定值PCM是指GTR在最高允許結(jié)溫時(shí)所對(duì)應(yīng)的耗散功率，它受結(jié)溫的限制，其大小主要由集電結(jié)工作電壓和集電極電流的乘積決定。由于這部分能量將轉(zhuǎn)化為熱能并使GTR發(fā)熱，因此GTR在使用中的散熱條件是十分重要的，如果散熱條件不好，器件會(huì)因溫度過高而損壞。

2．動(dòng)態(tài)特性與參數(shù)

動(dòng)態(tài)特性描述GTR開關(guān)過程的瞬態(tài)性能，又稱開關(guān)特性。PN結(jié)承受正向偏置時(shí)表現(xiàn)為兩個(gè)電容：勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容。承受反向偏置時(shí)只表現(xiàn)為勢(shì)壘電容。在穩(wěn)態(tài)時(shí)這些電容對(duì)GTR的工作特性沒有影響；而在瞬態(tài)時(shí)，則由于電容的充、放電作用影響GTR的開關(guān)特性。此外，為了降低導(dǎo)通時(shí)的功率損耗，常采用過驅(qū)動(dòng)的方法，使基區(qū)積累了大量的過剩載流子，在關(guān)斷時(shí)這些過剩載流子的消散嚴(yán)重影響關(guān)斷時(shí)間。圖2-30所示為用Marconi公司生產(chǎn)的TC40U—400型GTR動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)電路與集電極電流波形圖。試驗(yàn)電路參數(shù)：電源UCC=200V，負(fù)載電阻RC=10Ω，基極限流電阻1 2 ，集電極電流IC=10A，正向基極驅(qū)動(dòng)電流1 ，反向基極驅(qū)動(dòng)電流，結(jié)溫Tj為25℃。

整個(gè)工作過程分為導(dǎo)通過程、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過程、關(guān)斷狀態(tài)4個(gè)不同階段。圖中導(dǎo)通時(shí)間ton對(duì)應(yīng)著GTR由截止到飽和的導(dǎo)通過程，關(guān)斷時(shí)間tof對(duì)應(yīng)著GTR由飽和到截止的關(guān)斷過程。在導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程中，GTR的工作點(diǎn)應(yīng)盡量避開或盡快通過其伏安特性的線性工作區(qū)，以減小功耗。

導(dǎo)通時(shí)間ton包括延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr；關(guān)斷時(shí)間tof包括存儲(chǔ)時(shí)間ts和下降時(shí)間tf。

一般導(dǎo)通時(shí)間均為納秒的數(shù)量級(jí)，比關(guān)斷時(shí)間小得多，故在產(chǎn)品手冊(cè)中一般不給出該參數(shù)。關(guān)斷時(shí)間的數(shù)值都在微秒數(shù)量級(jí)（ts為3～8μs, tf大約為1μs）。為了縮短關(guān)斷時(shí)間可采取以下措施：選擇電流增益小的器件，防止深飽和，增加反向驅(qū)動(dòng)電流。

集電極電壓上升率du/dt是動(dòng)態(tài)過程中的一個(gè)重要參數(shù)，過去很少被人重視。自從GTR橋式變流電路被廣泛采用后，由于du/dt產(chǎn)生的過損耗現(xiàn)象嚴(yán)重地威脅著器件和電路的安全，才迫使人們認(rèn)真加以考慮。當(dāng)基極開路時(shí)，集電極-發(fā)射極間承受過高的電壓上升率du/dt，便會(huì)通過集電結(jié)的寄生電容流過容性位移電流。由于基極是開路的，該容性位移電流便注入發(fā)射結(jié)形成基極電流且被放大β倍，形成集電極電流，若GTR的β值很大，將會(huì)迫使GTR進(jìn)入放大區(qū)運(yùn)行，有可能因瞬時(shí)電流過大而產(chǎn)生二次擊穿導(dǎo)致?lián)p壞。另外在GTR換流期間，集電結(jié)中儲(chǔ)存的少數(shù)載流子被全部抽走之前，有可能使正在關(guān)斷的GTR重新誤導(dǎo)通。在橋式電路中將會(huì)出現(xiàn)橋臂直通故障。為了抑制過高的du/dt對(duì)GTR的危害，一般在集電極-發(fā)射極間并聯(lián)一個(gè)RCD緩沖網(wǎng)絡(luò)。

3．二次擊穿與安全工作區(qū)

1）二次擊穿特性

前述的最高集電極-發(fā)射極間電壓額定值UCEO又稱為一次擊穿電壓值，發(fā)生一次擊穿時(shí)反向電流急劇增加。如果有外接電阻限制電流的增長時(shí)，一般不會(huì)引起GTR特性變壞；但如果不加限制，就會(huì)導(dǎo)致破壞性的二次擊穿。所謂二次擊穿是指器件發(fā)生一次擊穿后，集電極電流繼續(xù)增加。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。二次擊穿用符號(hào)S/B表示。二次擊穿時(shí)間在納秒至微秒的數(shù)量級(jí)之內(nèi)，即使在這樣短的時(shí)間內(nèi)，它也能使器件內(nèi)出現(xiàn)明顯的電流集中和過熱點(diǎn)。因此，一旦發(fā)生二次擊穿，輕者使GTR耐壓降低、特性變差，重者使集電結(jié)和發(fā)射結(jié)熔通，使GTR受到永久性損壞。

二次擊穿按晶體管的偏置狀態(tài)分為兩類：基極-發(fā)射極正偏，GTR工作于放大區(qū)的二次擊穿稱正偏二次擊穿；基極-發(fā)射極反偏，GTR工作于截止區(qū)的二次擊穿稱為反偏二次擊穿。

2）安全工作區(qū)

GTR在運(yùn)行中受到電壓、電流、功率損耗及二次擊穿等定額的限制。廠家一般把它們畫在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上。以安全工作區(qū)的綜合概念提供給用戶。安全工作區(qū)簡(jiǎn)稱SOA，是指GTR能夠安全運(yùn)行的范圍，又分為正向偏置安全工作區(qū)（FB-SOA）和反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）。正向偏置安全工作區(qū)如圖2-31所示，是由雙對(duì)數(shù)直角坐標(biāo)系中ABCDE折線所包圍的面積。AB段表示最大集電極電流ICM的限制，BC段表示最大允許功耗PCM的限制，CD段表示正向偏置下二次擊穿觸發(fā)功率PS/B的限制，DE段則為最大耐壓UCEO的限制。圖中標(biāo)有DC字樣的折線是在直流條件下的安全工作區(qū)，稱為直流安全工作區(qū)，它對(duì)應(yīng)于最惡劣的條件，是GTR可以安全運(yùn)行的最小范圍。其余折線圖形對(duì)應(yīng)于不同導(dǎo)通寬度的脈沖工作方式，隨著導(dǎo)通時(shí)間的縮短，二次擊穿耐量和允許的最大功耗均隨之增大，安全工作區(qū)向外擴(kuò)大。當(dāng)脈沖寬度小于1μs時(shí)，相應(yīng)的安全工作區(qū)變?yōu)橛?span id="avtobbw" class="italic">ICM和UCEO所決定的矩形。

反向偏置安全工作區(qū)如圖2-32所示，它表示GTR在反向偏置下關(guān)斷的瞬態(tài)過程。基極反向關(guān)斷電流IBR越大，其安全工作區(qū)越小。

安全工作區(qū)是在一定的溫度條件下得出的，如環(huán)境溫度25℃或殼溫75℃等，使用時(shí)若超過上述指定溫度值，允許功耗和二次擊穿耐量都必須降額。

4．溫度特性與散熱

半導(dǎo)體器件的共同缺點(diǎn)是其特性參數(shù)受溫度影響大，除了前述若干特性隨著溫度升高而變差外，由于溫度升高將使UCES升高，IC也將增大，輸出功率下降，最大允許功耗和二次擊穿觸發(fā)功率均要下降，結(jié)果使安全工作區(qū)面積縮小。必須采取有效散熱措施，選配適當(dāng)?shù)纳崞鳎鶕?jù)容量等級(jí)采用自然冷卻、風(fēng)冷或沸騰冷卻方式，確保GTR不超過規(guī)定的結(jié)溫最大值。

熱損壞由結(jié)溫過高所致，結(jié)溫升高由發(fā)熱引起，發(fā)熱量則由功耗轉(zhuǎn)變而來。因此，若能從根本上減小GTR的功耗就可確保其安全可靠地工作。在高頻大功率開關(guān)條件下工作的GTR，其功耗由靜態(tài)導(dǎo)通功耗、動(dòng)態(tài)開關(guān)損耗和基極驅(qū)動(dòng)功耗三部分組成。設(shè)法降低導(dǎo)通電壓、采用各種緩沖電路改變GTR的開關(guān)軌跡等，均可達(dá)到減小GTR功耗的目的。

2.3.3 GTR的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)

1．驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原則

從GTR基本特性可知，它是一種具有自關(guān)斷能力的全控型電力半導(dǎo)體器件。在設(shè)計(jì)基極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須考慮最優(yōu)化驅(qū)動(dòng)特性、驅(qū)動(dòng)方式和快速自動(dòng)保護(hù)功能。

1）最優(yōu)化驅(qū)動(dòng)特性

最優(yōu)化驅(qū)動(dòng)特性就是以理想的基極驅(qū)動(dòng)電流波形去控制GTR的開關(guān)過程，以便提高開關(guān)速度、減小開關(guān)損耗。最優(yōu)化的基極驅(qū)動(dòng)電流波形如圖2-33所示。要保證在GTR導(dǎo)通時(shí)基極電流具有快速的上升沿并有短時(shí)過沖，以加速導(dǎo)通過程；在GTR導(dǎo)通期間應(yīng)使其在任何負(fù)載條件下都保證正向飽和壓降UCES較低，以便獲得低的導(dǎo)通損耗，但有時(shí)又為了減小存儲(chǔ)時(shí)間提高開關(guān)速度，希望維持在準(zhǔn)飽和狀態(tài)；在關(guān)斷瞬時(shí)，應(yīng)能提供足夠的反向基極驅(qū)動(dòng)，以迅速抽出基區(qū)的過剩載流子，縮短關(guān)斷時(shí)間，減小關(guān)斷損耗。

2）驅(qū)動(dòng)方式

根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)與工作特點(diǎn)及它和驅(qū)動(dòng)電路間的連接關(guān)系，可以有直接驅(qū)動(dòng)方式和隔離驅(qū)動(dòng)方式兩種選擇。直接驅(qū)動(dòng)方式又分為簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)、推挽驅(qū)動(dòng)和抗飽和驅(qū)動(dòng)等形式。在很多場(chǎng)合下主電路和控制電路之間必須隔離，以保證電路的安全并提高抗干擾能力。隔離的方式有光電隔離和電磁隔離兩種，光電隔離的缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間較長，而電磁隔離的缺點(diǎn)是體積、重量較大。

3）快速自動(dòng)保護(hù)功能

GTR的基極驅(qū)動(dòng)電路要有快速自動(dòng)保護(hù)功能，以便在故障狀態(tài)下能快速自動(dòng)切除基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，避免GTR遭到損壞。保護(hù)的類型包括抗飽和、退抗飽和、過電流、過電壓、過熱、脈寬限制等。此外，驅(qū)動(dòng)電路還要有在主電路故障后能及時(shí)自動(dòng)切斷與主電路聯(lián)系的自保護(hù)能力。

2．基極驅(qū)動(dòng)電路的基本形式

1）恒流驅(qū)動(dòng)電路

恒流驅(qū)動(dòng)是指GTR的基極電流保持恒定，不隨集電極電流變化而變化。為了保證GTR在任何負(fù)載情況下都能處于飽和導(dǎo)通，所需的基極電流IB應(yīng)按GTR最大可能通過的集電極電流ICmax來設(shè)計(jì)，即

IB＞IC m ax/β

所以，恒流驅(qū)動(dòng)會(huì)使空載時(shí)飽和深度加劇，存儲(chǔ)時(shí)間大。為了克服上述弊端常需采用其他輔助措施，并由此演繹出兩種不同類型。

（1）抗飽和電路

抗飽和電路也稱貝克鉗位電路，其電路如圖2-34所示，其目的是將多余的基極電流從集電極引出，使GTR在不同集電極電流情況下都處于準(zhǔn)飽和狀態(tài)，使集電結(jié)處于零偏置或輕微正向偏置的狀態(tài)。圖中VD1、VD2為抗飽和二極管，VD3為反向基流提供回路。輕載時(shí)，當(dāng)GTR飽和深度加劇而使UCE減小時(shí)，A點(diǎn)電位高于集電極電位，二極管VD2導(dǎo)通，將IB′分流，使流過二極管VD1的基極電流IB減小，從而減小了GTR的飽和深度。

抗飽和電路可以縮短存儲(chǔ)時(shí)間，使在不同負(fù)載情況下及使用離散性較大的GTR時(shí)存儲(chǔ)時(shí)間趨向一致，但需增加兩個(gè)二極管，鉗位二極管VD2必須是快速恢復(fù)二極管且其耐壓必須和GTR的耐壓相當(dāng)。由于電路工作于準(zhǔn)飽和狀態(tài)正向壓降增加，增大了導(dǎo)通損耗。

（2）截止反偏驅(qū)動(dòng)電路

為了減小存儲(chǔ)時(shí)間，加速GTR關(guān)斷，常采用截止反偏驅(qū)動(dòng)以迅速抽出基區(qū)的過剩載流子。形成截止反偏的電路有多種，現(xiàn)介紹幾種常見電路。

① 單極性脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路。較簡(jiǎn)單的單極性脈沖變壓器截止反偏驅(qū)動(dòng)電路如圖2-35所示，它實(shí)際上是一個(gè)小功率單端正激式變換器。當(dāng)驅(qū)動(dòng)管VT導(dǎo)通時(shí)，在變壓器次級(jí)繞組N2上感生電動(dòng)勢(shì)向GTR提供正向基極電流，使GTR導(dǎo)通，二極管VD由于N3上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反偏而截止，VT截止時(shí)，各繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反向，N2上的反向電壓作為GTR的反偏電壓，使GTR迅速關(guān)斷。GTR截止后，二次繞組N2開路，變壓器鐵芯的磁場(chǎng)能量則通過繞組N3及二極管VD反饋回電源。可見反偏電壓是導(dǎo)通時(shí)間的函數(shù)。這種電路簡(jiǎn)單，但有直流磁化現(xiàn)象，鐵芯體積較大。

② 電容儲(chǔ)能式驅(qū)動(dòng)電路。圖2-36所示為利用電容儲(chǔ)能來獲得反向偏置的驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)輸入信號(hào)ui為高電平，變壓器繞組星號(hào)端為正極性時(shí)，在變壓器次級(jí)繞組N2上產(chǎn)生正向驅(qū)動(dòng)電壓，并經(jīng)GTR的發(fā)射結(jié)對(duì)儲(chǔ)能電容C充電。二極管VD2導(dǎo)通，晶體管VT被VD2的正向壓降和C兩端的充電電壓反向施偏置而截止。當(dāng)ui為低電平時(shí)，VD2截止。電容C通過正在導(dǎo)通的GTR的發(fā)射結(jié)、N2和R2驅(qū)動(dòng)晶體管VT飽和導(dǎo)通，使電容C上電壓反向施加于GTR的發(fā)射結(jié)上，放電電流使GTR基區(qū)的過剩載流子迅速抽出而關(guān)斷。GTR關(guān)斷后，電容C上的儲(chǔ)能通過R1、VD1、R2和VT的發(fā)射結(jié)繼續(xù)釋放，并且應(yīng)于GTR再次導(dǎo)通前放電完畢。

③ 固定反偏互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路。圖2-37所示為固定反偏互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路。晶體管VT2和VT3組成互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)級(jí)，當(dāng)ui為高電平時(shí)，晶體管VT1和VT2導(dǎo)通，正電源+UCC經(jīng)過電阻R3和VT2向GTR提供正向基極電流，使GTR導(dǎo)通。當(dāng)ui為低電平時(shí)，VT1和VT2截止而VT3導(dǎo)通，負(fù)電源-UCC加于GTR的發(fā)射結(jié)上，GTR基區(qū)中的過剩載流子被迅速抽出，GTR迅速關(guān)斷。

2）比例驅(qū)動(dòng)電路

比例驅(qū)動(dòng)就是使GTR的基極電流正比于集電極電流變化，保證在不同負(fù)載時(shí)器件的飽和深度基本相同，并使輕載時(shí)的驅(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)電路如圖2-38所示。該電路由驅(qū)動(dòng)變壓器T、晶體管VT、電阻R、二極管VD及穩(wěn)壓管VDZ等元器件構(gòu)成。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)ui為高電平時(shí)，晶體管VT導(dǎo)通，鐵芯在i1 N1作用下磁化并在各繞組中感應(yīng)出星號(hào)端為負(fù)的電動(dòng)勢(shì)，這樣GTR因基極反偏而截止。當(dāng)ui變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，晶體管VT截止，電流i1消失，各繞組中感應(yīng)出星號(hào)端為正的電動(dòng)勢(shì)，鐵芯中的磁場(chǎng)能經(jīng)GTR的基極回路釋放，促使GTR導(dǎo)通，GTR一旦導(dǎo)通則形成集電極電流，該電流經(jīng)反饋繞組NF使鐵芯去磁而脫離飽和，此時(shí)NF與NB形成電流互感器的工作狀態(tài)，iC上升，iB也上升，形成正反饋，使GTR迅速全面導(dǎo)通。

當(dāng)ui再變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，晶體管VT又導(dǎo)通，由于iC尚未來得及下降，故各繞組的星號(hào)端仍維持為正，VT的導(dǎo)通相當(dāng)于通過二極管VD將N2繞組短接，迫使各繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)均接近于零。加速電容C上的電壓使GTR的發(fā)射結(jié)反偏，使基區(qū)過剩載流子迅速消散，GTR脫離飽和，iC下降使各繞組電動(dòng)勢(shì)反向，NB上的電動(dòng)勢(shì)繼續(xù)使GTR反偏，加速iC下降直至GTR被關(guān)斷，等待下次驅(qū)動(dòng)信號(hào)的到來。

（2）具有強(qiáng)制導(dǎo)通和強(qiáng)制關(guān)斷的比例驅(qū)動(dòng)電路

一般的比例驅(qū)動(dòng)電路主要靠正反饋加速GTR的導(dǎo)通過程，但當(dāng)工作頻率較高時(shí)，由于分布參數(shù)的影響使導(dǎo)通速度變慢，可采用如圖2-39所示的強(qiáng)制導(dǎo)通與強(qiáng)制關(guān)斷的比例驅(qū)動(dòng)電路。

當(dāng)ui為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)管VT截止，GTR也截止，其集電極為高電平。當(dāng)ui由低變高時(shí)，驅(qū)動(dòng)管VT導(dǎo)通，GTR集電極的高電平通過二極管VD2和VT為GTR提供很大的正向基極電流，迫使GTR迅速導(dǎo)通。同時(shí)，通過電流互感器TA的作用，在TA二次繞組N2上產(chǎn)生與GTR集電極電流iC成正比的電流，并經(jīng)VD1、VT及GTR的發(fā)射結(jié)而流通，成為GTR的比例驅(qū)動(dòng)電流。

當(dāng)ui為低電平時(shí)，VT截止，i2=0，互感器TA各繞組電壓上升。N3上星號(hào)端為正的電壓使VDZ1擊穿并反向加于GTR的發(fā)射結(jié)上，此時(shí)，流過N3的電流i3也正比于iC，并且成為GTR的反向基流，起比例反驅(qū)動(dòng)作用，迅速抽出基區(qū)剩余載流子，減小了存儲(chǔ)時(shí)間。該電路驅(qū)動(dòng)性能好，但電路較復(fù)雜。

3．過電流的檢測(cè)與保護(hù)

1）狀態(tài)識(shí)別法

過電流的出現(xiàn)是由于GTR處于過載或短路的故障狀態(tài)，此時(shí)隨著集電極電流的劇烈增加，其基極電壓UBE和集電極電壓UCE均發(fā)生相應(yīng)變化。在基極電流和結(jié)溫一定時(shí)UBE隨IC正比變化，可以利用這一特性對(duì)GTR進(jìn)行過載和短路過電流保護(hù)，檢測(cè)基極電壓UBE與預(yù)定的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較后，即可發(fā)出命令切斷GTR驅(qū)動(dòng)信號(hào)。與此相同，檢測(cè)UCE也可達(dá)到過電流保護(hù)的目的，但是UCE的變化比UCE緩慢，而且UCE受溫度影響嚴(yán)重。

檢測(cè)UBE比檢測(cè)UCE更有利，因?yàn)镚TR在短路情況下導(dǎo)通時(shí)，檢測(cè)UBE確認(rèn)故障的時(shí)間快。能在退飽和保護(hù)電路封鎖的幾微秒內(nèi)起保護(hù)作用；檢測(cè)UBE也有一定缺點(diǎn)，即在較輕的過載情況下其靈敏度低。恰好檢測(cè)UCE的方法適宜于過載電流的保護(hù)而不適于短路電流的保護(hù)。將兩種檢測(cè)結(jié)合起來可產(chǎn)生良好的過電流保護(hù)效果。

圖2-40（a）為GTR的基極正向壓降特性曲線，管型為MJ10025，測(cè)試條件為IB=0.25A、TC=25℃。圖4-40（b）為基極電壓UBE識(shí)別電路實(shí)例。GTR的基極電壓UBE與基準(zhǔn)值電壓UR通過比較器進(jìn)行比較，正常工作條件下UBE＜UR，比較器輸出低電平保證驅(qū)動(dòng)管VT導(dǎo)通，一旦UBE高于UR，比較器輸出高電平使驅(qū)動(dòng)管VT截止，關(guān)斷了GTR的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)斷已經(jīng)過流的GTR。

集電極電壓的識(shí)別如圖2-41所示。圖2-41（a）為GTR的飽和壓降特性曲線，管型為MJ10044，測(cè)試條件為IC=20IB。由圖可知，GTR工作在飽和區(qū)和準(zhǔn)飽和區(qū)時(shí)，UCE一般在0.8～2V之間，當(dāng)負(fù)載過電流或由于基極驅(qū)動(dòng)電流不足均會(huì)引起GTR退出飽和區(qū)進(jìn)入線性區(qū)，導(dǎo)致UCE迅速增大，功耗猛增以致使器件損壞，這種抗飽和的保護(hù)電路見圖2-41（b）。它和圖2-40（b）是完全相似的，只是被檢測(cè)的電壓不是UBE而是UCE。這種電路在GTR導(dǎo)通前處于截止?fàn)顟B(tài)，UCE≥UR，保護(hù)環(huán)節(jié)封鎖導(dǎo)通電路，為了保證GTR的正常導(dǎo)通需加導(dǎo)通啟動(dòng)電路，通過電容C提供驅(qū)動(dòng)管的初始基極電流使GTR強(qiáng)制導(dǎo)通，此后UCE＜UR，驅(qū)動(dòng)電路提供持續(xù)的基極電流使GTR保持導(dǎo)通狀態(tài)。這種方法的缺點(diǎn)是存在“保護(hù)盲區(qū)”，由于GTR導(dǎo)通時(shí)要先封鎖保護(hù)電路，只有在GTR導(dǎo)通之后保護(hù)電路才能投入工作，因此若在導(dǎo)通過程最初的若干微秒內(nèi)發(fā)生短路，該電路無法實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

2）橋臂互鎖保護(hù)法

橋式變換器在運(yùn)行中因GTR關(guān)斷時(shí)間過長、驅(qū)動(dòng)信號(hào)失誤重疊，或某個(gè)GTR損壞，均可能導(dǎo)致橋臂短路故障，造成器件損壞。這就要求同一橋臂中的兩個(gè)GTR互鎖，即只有確認(rèn)某個(gè)GTR關(guān)斷后另一個(gè)才能導(dǎo)通。這種互鎖保護(hù)電路是經(jīng)過與門邏輯判斷來實(shí)現(xiàn)的，其原理如圖2-42所示。圖中上橋臂VT1（GTR）的基極驅(qū)動(dòng)電路受下橋臂零電流互鎖信號(hào)控制；而下橋臂VT2（GTR）的基極驅(qū)動(dòng)電路又受上橋臂零電流互鎖信號(hào)的控制，這樣就能保證在任何時(shí)刻只有一個(gè)GTR導(dǎo)通，防止兩管同時(shí)導(dǎo)通造成直接短路。

但是在GTR中的集電極電流和電壓在某些負(fù)載條件下會(huì)產(chǎn)生相位移，GTR雖然處于導(dǎo)通狀態(tài)，卻有可能無集電極電流流通，因此有時(shí)檢測(cè)集電極電流或發(fā)射極電流并不能正確判斷GTR是否關(guān)斷。GTR關(guān)斷狀態(tài)的判斷可以通過檢測(cè)其發(fā)射結(jié)電壓UBE的方法來實(shí)現(xiàn)。圖2-43（a）為達(dá)林頓管GTR在關(guān)斷過程中UCE、IC及UBE的變化過程，可見檢測(cè)UBE的大小可以判斷GTR是否關(guān)斷。識(shí)別UBE的具體電路如圖2-43（b）所示，例如，對(duì)于型號(hào)為ESM6045D的器件當(dāng)基極電壓達(dá)到-4V時(shí)，GTR即可靠關(guān)斷，這時(shí)恒流源電路中的發(fā)光二極管流過穩(wěn)定的電流，可用發(fā)光二極管的光信號(hào)來代表GTR已經(jīng)關(guān)斷的信號(hào)，并用它來對(duì)橋臂上的另一個(gè)GTR進(jìn)行控制。

采用橋臂互鎖保護(hù)法不但能提高可靠性，而且可改進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整性能，提高系統(tǒng)的工作速度。

3）LEM模塊保護(hù)法

LEM模塊是一種磁場(chǎng)平衡式霍爾電流傳感器，其反應(yīng)速度為1μs，一次側(cè)、二次側(cè)絕緣性能達(dá)2kV，由于它無慣性、線性度好，裝置又簡(jiǎn)單，成為自關(guān)斷器件過電流保護(hù)的佼佼者。霍爾電流傳感器是一種半導(dǎo)體器件，其工作原理如圖2-44（a）所示，在厚度為d的半導(dǎo)體基片的垂直方向設(shè)置磁場(chǎng)B，當(dāng)沿縱長方向通過引線1、2引入電流IC時(shí)，在基片的兩個(gè)長邊之間便產(chǎn)生電壓，這就是霍爾效應(yīng)。電流引線稱為電流極，電壓引線3、4稱為霍爾電壓輸出級(jí)。霍爾電壓的大小為

LEM模塊的電路工作示意圖如圖2-44（b）所示，由主回路（一次側(cè)）、聚磁環(huán)、霍爾傳感器、二次繞組、放大電路、顯示系統(tǒng)等部分組成。當(dāng)主回路流過大的電流Ip時(shí)，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)的磁場(chǎng)，經(jīng)聚磁環(huán)聚集后感應(yīng)出霍爾電動(dòng)勢(shì)，使之有一個(gè)輸出信號(hào)，再經(jīng)放大器放大后獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is, Is經(jīng)過多匝的二次繞組產(chǎn)生補(bǔ)償磁場(chǎng)，與Ip產(chǎn)生的主磁場(chǎng)相反，于是霍爾器件的輸出逐漸減小，最后當(dāng)兩個(gè)磁場(chǎng)相等時(shí)Is不再增加，這時(shí)霍爾器件就起到指示零磁通的作用。從宏觀上看，任意時(shí)刻二次電流的安匝數(shù)都與一次電流形成的安匝數(shù)一樣，只要測(cè)得二次繞組的小電流，就可知道一次側(cè)的大電流。它既可測(cè)量直流，又可測(cè)量交流，還可測(cè)量脈沖電流。不但響應(yīng)速度快而且與被測(cè)電路絕緣。因此LEM模塊成為快速過電流檢測(cè)和保護(hù)的理想器件。