電力晶體管的結(jié)構(gòu)
　　電力晶體管(Giant Transistor)簡(jiǎn)稱GTR，結(jié)構(gòu)和工作原理都和小功率晶體管非常相似。GTR由三層半導(dǎo)體、兩個(gè)PN結(jié)組成。和小功率三極管一樣，有PNP和NPN兩種類型，GTR通常多用NPN結(jié)構(gòu)。
[編輯本段]電力晶體管工作原理
　　在電力電子技術(shù)中，GTR主要工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。GTR通常工作在正偏(Ib＞0)時(shí)大電流導(dǎo)通；反偏(Ib＜0＝時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)。因此，給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，它將工作于導(dǎo)通和截止的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
[編輯本段]電力晶體管特點(diǎn)
　　l 輸出電壓
　　可以采用脈寬調(diào)制方式，故輸出電壓為幅值等于直流電壓的強(qiáng)脈沖序列。
　　2 載波頻率
　　由于電力晶體管的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，故允許的載波頻率較低，大部分變頻器的上限載波頻率約為1.2～1.5kHz左右。
　　3 電流波形
　　因?yàn)檩d波頻率較低，故電流的高次諧波成分較大。這些高次諧波電流將在硅鋼片中形成渦流，并使硅鋼片相互間因產(chǎn)生電磁力而振動(dòng)，并產(chǎn)生噪音。又因?yàn)檩d波頻率處于人耳對(duì)聲音較為敏感的區(qū)域，故電動(dòng)機(jī)的電磁噪音較強(qiáng)。
　　4 輸出轉(zhuǎn)矩
　　因?yàn)殡娏髦懈叽沃C波的成分較大，故在50Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩與工頻運(yùn)行時(shí)相比，略有減小。
[編輯本段]電力晶體管的基本特性
　　(1)靜態(tài)特性
　　共發(fā)射極接法時(shí)可分為三個(gè)工作區(qū)：
　?、?截止區(qū)。在截止區(qū)內(nèi)，iB≤0，uBE≤0，uBC＜0，集電極只有漏電流流過(guò)。
　　② 放大區(qū)。iB ＞0，uBE＞0，uBC＜0，iC =βiB。
　　③ 飽和區(qū)。iB ＞Ics/β，uBE＞0，uBC＞0，iCS是集電極飽和電流，其值由外電路決定。
　　結(jié)論：兩個(gè)PN結(jié)都為正向偏置是飽和的特征。飽和時(shí)，集電極、發(fā)射極間的管壓降uCE很小，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)接通，這時(shí)盡管電流很大，但損耗并不大。GTR剛進(jìn)入飽和時(shí)為臨界飽和，如iB繼續(xù)增加，則為過(guò)飽和，用作開(kāi)關(guān)時(shí)，應(yīng)工作在深度飽和狀態(tài)，這有利于降低uCE和減小導(dǎo)通時(shí)的損耗。
　　(2)動(dòng)態(tài)特性
　　圖4-8 GTR共發(fā)射極接法的輸出特性
　　GTR在關(guān)斷時(shí)漏電流很小，導(dǎo)通時(shí)飽和壓降很小。因此，GTR在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)下?lián)p耗都很小，但在關(guān)斷和導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電流和電壓都較大，所以開(kāi)關(guān)過(guò)程中損耗也較大。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗是總損耗的主要部分。因此，縮短開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間對(duì)降低損耗、提高效率和提高運(yùn)行可靠性很有意義。
[編輯本段]電力晶體管的主要參數(shù)
　　(1)最高工作電壓
　　(2)集電極最大允許電流ICM
　　(3)集電極最大允許耗散功率PCM
　　(4)最高工作結(jié)溫TJM
　　二次擊穿和安全工作區(qū)
　　(1)二次擊穿
　　二次擊穿是影響GTR安全可靠工作的一個(gè)重要因素。二次擊穿是由于集電極電壓升高到一定值(未達(dá)到極限值)時(shí)，發(fā)生雪崩效應(yīng)造成的。防止二次擊穿的辦法是：①應(yīng)使實(shí)際使用的工作電壓比反向擊穿電壓低得多。②必須有電壓電流緩沖保護(hù)措施。
　　(2)安全工作區(qū)
　　
　　以直流極限參數(shù)ICM、PCM、UCEM構(gòu)成的工作區(qū)為一次擊穿工作區(qū)，以USB (二次擊穿電壓)與ISB (二次擊穿電流)組成的PSB (二次擊穿功率)是一個(gè)不等功率曲線。為了防止二次擊穿，要選用足夠大功率的GTR，實(shí)際使用的最高電壓通常比GTR的極限電壓低很多。
　　圖4-10 GTR安全工作區(qū)
　　
　　圖4-11 GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形
[編輯本段]電力晶體管的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)
　　1．GTR基極驅(qū)動(dòng)電路
　　(1)對(duì)基極驅(qū)動(dòng)電路的要求
　?、賹?shí)現(xiàn)主電路與控制電路間的電隔離。
　　②導(dǎo)通時(shí)，基極正向驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)有足夠陡的前沿，并有一定幅度的強(qiáng)制電流，以加速開(kāi)通過(guò)程，減小開(kāi)通損耗。
　?、跥TR導(dǎo)通期，基極電流都應(yīng)使GTR處在臨界飽和狀態(tài)，這樣既可降低導(dǎo)通飽和壓降，又可縮短關(guān)斷時(shí)間。
　?、茉谑笹TR關(guān)斷時(shí)，應(yīng)向基極提供足夠大的反向基極電流，以加快關(guān)斷速度，減小關(guān)斷損耗。
　?、輵?yīng)有較強(qiáng)的抗干擾能力，并有一定的保護(hù)功能。
　　(2)基極驅(qū)動(dòng)電路
　　
　　圖4-12 實(shí)用的GTR驅(qū)動(dòng)電路
　　2．集成化驅(qū)動(dòng)
　　集成化驅(qū)動(dòng)電路克服了一般電路元件多、電路復(fù)雜、穩(wěn)定性差和使用不便的缺點(diǎn)，還增加了保護(hù)功能。
　　3．GTR的保護(hù)電路
　　開(kāi)關(guān)頻率較高，采用快熔保護(hù)是無(wú)效的。一般采用緩沖電路。主要有RC緩沖電路、充放電型R、C、VD緩沖電路和阻止放電型R、C、VD緩沖電路三種形式，如圖4-13所示。
　　a) b) c)
　　圖4-13 GTR的緩沖電路
　　圖4-13a所示RC緩沖電路只適用于小容量的GTR(電流10 A以下)。圖4-13b所示充放電型R、C、VD緩沖電路用于大容量的GTR。圖4-13c所示阻止放電型R、C、VD緩沖電路，較常用于大容量GTR和高頻開(kāi)關(guān)電路，其最大優(yōu)點(diǎn)是緩沖產(chǎn)生的損耗小。

力晶體管電路分析
　　　圖6-21所示為三相橋式PWM逆變電路，功率開(kāi)關(guān)器件為GTR，負(fù)載為電感性。從電路結(jié)構(gòu)上看，三相橋式PWM變頻電路只能選用雙極性控制方式，其工作原理如下：
　　三相調(diào)制信號(hào)urU、urV和urW為相位依次相差120°的正弦波，而三相載波信號(hào)是公用一個(gè)正負(fù)方向變化的三角形波uc，如圖6-23所示。U、V和W相自關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件的控制方法相同，現(xiàn)以U相為例：在urU>uc的各區(qū)間，給上橋臂電力晶體管V1以導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而給下橋臂V4以關(guān)斷信號(hào)，于是U相輸出電壓相對(duì)直流電源Ud中性點(diǎn)N’為uUN’ ＝Ud/2。在urU