点我回:【菜鸡自动化学习之旅】电力电子技术学习笔记1 ———— 电力电子设备
目录
- 一、电力晶体管简介
- 二、GTR结构及工作原理
- 三、GTR 的基本特性
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- 1. 静态特性
- 2. 动态特性
- 四、GTR主要参数及安全工作区
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- 1. 工作电压最高 U C E M U_{CEM} UCEM
- 2. 饱和压降 U C E S U_{CES} UCES
- 3. 集电极连续直流电流额定值 I C I_{C} IC
- 4. 集电极最大允许电流 I C M I_{CM} ICM
- 5. 基极电流最大允许值 I B M I_{BM} IBM
- 6. 最大额定功耗 P C M P_{CM} PCM
- 7. 二次击穿现象
- 8. 安全工作区(SOA-Safe Operating Area)
- 五、GTR类型
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- 1. 单管GTR
- 2. 达林顿GTR
- 3. GTR模块
一、电力晶体管简介
电力晶体管(Giant Transistor —— GTR,直译为巨型晶体管),它与晶闸管不同,具有线性放大特性,但在电力电子应用中却工作在开关状态,从而减小功耗,GTR可通过基极控制其开通、关断,是典型的自关断器件。
二、GTR的结构和工作原理
- 与一般双极型晶体管相似的结构、工作原理和特性
- 采用集成工艺将许多这种单元并联
- 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好
- 应用中,GTR一般采用共发射极接法
- 集电极电流 i c i_{c} ic与基极电流 i b i_{b} ib的比值为: β = i c i b β = \frac{i_{c}}{i_{b}} β=ibic(β称为GTR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)
- 单管电流放大系数为10左右
- 当考虑到集电极和发射极间的漏电流 I c e o I_{ceo} Iceo时, i c i_{c} ic和 i b i_{b} ib的关系为: i c = β i b + I c e o i_{c} = βi_{b} + I_{ceo} ic=βib+Iceo
三、GTR 的基本特性
1. 静态特性
- 共发射极接法时的典型输出特性:截止区、放大区和饱和区
- 在电力电子电路中GTR工作在开关状态
- 在开关过程中,即在截止区和饱和区之间过渡时,要经过放大区
2. 动态特性
图中:
开通过程:
- t d t_{d} td:延迟时间
- t r t_{r} tr:上升时间
- t o n t_{on} ton:开通时间, t o n = t d + t r t_{on} = t_{d} + t_{r} ton=td+tr
关断过程:
- t s t_{s} ts:延迟时间
- t f t_{f} tf:上升时间
- t o f f t_{off} toff:开通时间, t o f f = t s + t f t_{off} = t_{s} + t_{f} toff=ts+tf
GTR的开关时间在几微秒以内,比晶闸管和GTO都短很多
四、GTR的主要参数及安全工作区
1. 最高工作电压 U C E M U_{CEM} UCEM
主要是指集电极的击穿电压值
- 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
- 各种不同接法时的击穿电压的关系如下: 为了保证器件工作安全,GTR的最高工作电压 U C E M U_{CEM} UCEM应比最小击穿电压 B U C E O BU_{CEO} BUCEO要低
2. 饱和压降 U C E S U_{CES} UCES
- 处于深度饱和时集电极与发射极间的电压
- 在大功率应用中它是一项重要指标,因为它关系到器件导通的功率损耗
- 单个GTR的饱和压降一般不超过1~1.5V
3. 集电极连续直流电流额定值 I C I_{C} IC
指只要保证结温不超过允许的最高结温,晶体管允许连续通过的直流电流值
4. 集电极最大允许电流 I C M I_{CM} ICM
- 最高允许结温下,不造成器件损坏的最大电流
- 超过该额定值必将导致晶体管内部结构的烧毁
- 实际使用时要留有裕量,只能用到 I C M I_{CM} ICM的一半或稍多一点
5. 基极电流最大允许值 I B M I_{BM} IBM
I B M I_{BM} IBM远小于 I C M I_{CM} ICM,通常 1 10 I C M ≤ I B M ≤ 1 2 I C M \frac{1}{10}I_{CM} ≤ I_{BM} ≤ \frac{1}{2}I_{CM} 101ICM≤IBM≤21ICM,而基极—发射极间的最大电压额定值通常只有几伏
6. 最大额定功耗 P C M P_{CM} PCM
指GTR在最高允许结温时,所对应的耗散功率,其大小主要由集电结工作电压和集电极电流的乘积决定,受环境温度和散热条件影响
7. 二次击穿现象
- 一次击穿:集电极—发射极击穿电压 B U C E O BU_{CEO} BUCEO, I c I_{c} Ic迅速增大 如果能及时限制电流增长,使 I c I_{c} Ic不超过限度,GTR一般不会损坏,工作特性也不变
- 二次击穿:一次击穿发生后, I c I_{c} Ic突然急剧上升,电压陡然下降 常常立即导致器件的永久损坏,或者工作特性明显衰变
8. 安全工作区(SOA-Safe Operating Area)
是指由GTR的集射极最高电压 U C E M U_{CEM} UCEM、集电极最大电流 I C M I_{CM} ICM、集电极最大耗散功率 P C M P_{CM} PCM、二次击穿功率 P S B P_{SB} PSB、限制的区域
五、GTR类型
1. 单管GTR
单管GTR的电流放大系数很小,通常为10左右
2. 达林顿GTR
达林顿结构的GTR是由两个或多个晶体管复合而成
达林顿结构的GTR的电流放大倍数很大,可以达到几十至几千倍,饱和管压降增加,增大了导通损耗,同时降低了管子的工作速度
3. GTR模块
它是将GTR管芯根据不同的用途将几个单元电路集成在同一硅片上,提高了器件的集成度、工作的可靠性、性价比,同时也实现了小型轻量化
将6个相互绝缘的单元电路制在同一模块内,以组成三相桥电路
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