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时间:2018-11-02
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1、§3.3功率晶体管GTR1、晶体管工作三种状态晶体管(transistor)由三层半导体组成(构成两个PN结),有PNP和NPN两种,从三块半导体上各自接出一根引线就是三极管的三个电极,B为基极,C为集电极,E为发射极,符号和结构如图3-5所示。虽然发射区和集电区都是N型半导体(对NPN而言),但是发射区的N型半导体比集电区的N型半导体掺的杂质多,因此它们并不对称。晶体管可以工作在三种状态,即放大状态、饱和状态和截止状态。在现代电力电子技术中,晶体管只作为开关使用,工作于截止和饱和两种状态。 1)放大状态无论是共基极接法还是共射极接法,只要集电结反偏电压达到一定值、发射结正偏,就工作于放大状
2、态。2)饱和状态工作于饱和状态时集电结、发射结均正向偏置。以共射极接法为例,随着基极电流增加,负载上电压增加,而电源电压不变,因此集电结反偏电压必须下降。当负载上电压增加到集电结反偏电压为零时,晶体管进入临界饱和状态,基极电流再增加时,晶体管的饱和加深,晶体管进入饱和时,集电极电流就不再明显增加了。饱和状态时发射结和集电结都正偏置,饱和压降很小。3)截止状态工作于截止状态时,即发射结正向偏置电压为零或反偏。图3-6为NPN晶体管共射极接法的输出特性2、功率晶体管GTR的特点 习惯上将耗散功率大于1W的晶体管称为功率晶体管,简称GTR(GiantTransistor)。由于GTR在大耗散功
3、率下工作,当工作电流和工作电压变化时会导致管子的温度急剧变化,这样又引起管子的工作状态急剧变化,还会在管子内部产生大的机械引力,引起GTR损坏。因此,GTR应有下列性能要求或参数: 具有高的极限工作温度; 小的热阻; 小的饱和导通压降或饱和电阻; 工作稳定可靠; 大电流容量; 高耐压; 快的开关速度。3、GTR开关特性GTR主要应用于开关工作方式,采用一定的正向基极电流去驱动GTR导通,采用一定的反向基极电流去关断GTR。由于GTR不是理想开关而是真实的器件,因此在开关过程中存在着延迟时间和存储时间,如图3-7所示。在t0时刻加一个正激
4、励脉冲,GTR经过延迟和上升阶段才进入饱和区,定义开通时间为:式中:td为延迟时间,tr为上升时间。在t3时刻反向信号加到基极,GTR经过存储和下降时间才返回到截止区,定义关断时间为:式中:ts为存储时间,tf为下降时间。 在应用中,增大基极电流,使充电加快, 、 都可以缩小,但不宜过大,否则将增大储存时间。因此在基极电路中采用加速电容是解决这一问题的一种办法。为了加速GTR关断,缩短关断时间 ,基极驱动电路必须提供具有一定幅值的反向驱动电流,即加反向基极电压有助于加快电容上电荷的释放,从而减小 和 。但基极反向电压不能过大,否则会将发射结击穿,还会增大延迟时间。右图是GTR的
5、理想驱动波形,IB1’是正向过充驱动电流,加速GTR导通, 维持GTR处于临界饱和状态;关断时初始 是负值过冲量,可缩短关断时间,防止二次击穿。在应用中,一般在基极驱动电阻上并联电容器来实现理想驱动。4、GTR的主要参数 β值;反向漏电流;最大集电极电流;饱和电压;结温;最高耐压;集电结最大耗散功率(注意温度条件); 集电结消耗的功率比发射结大的多,因此晶体管总的消耗功率近似认为是集电结消耗的功率。耗散功率要产生热量,热量使集电结结温升高,结温升高使集电极电流增大,又使集电结结温升高,这是一个正反馈的过程,因此必须有良好的散热条件,才能保证晶体管可靠工作。GTR的耗散功率主要来
6、自三个方面: 1)导通损耗,即管子处于导通状态的损耗; 2)截止损耗; 3)开关损耗,即开关过程中管子的损耗。导通损耗PON,即管子处于导通状态的损耗。主要取决于导通时的集电极电流和晶体管的饱和压降:式中ton为GTR导通时间,T为开关频率。截止损耗POFF,截止时的功率损耗为:一般讲截止损耗比导通损耗要小的多,通常忽略不计。开关损耗PSW,即开关过程中管子的损耗。由于晶体管不能瞬间导通和关断,在开关过程中管子上同时存在电压和电流,因此产生开关损耗。假定在开通和关断过程中电压和电流线形变化 图3-9为集电极耗散功率示意图。5、二次击穿二次击穿是GTR损坏的主要原因,是影响GTR变
7、流装置可靠性的一个重要因素。 时,当集电结的反偏电压 逐渐增大到某一值时,集电极电流急剧增大,这就是通常的雪崩击穿,即一次击穿现象。一次击穿的特点是:在急剧增加的过程中,集电结的维持电压保持不变,如图所示。当再增大时,上升到某一临界点( )时, 突然下降, 继续增长,出现了负阻效应( 减少, 增大),这种现象称为二次击穿现象。二次击穿的电压和电流( )称为二次击穿的临界电压
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