四、GTR的主要參數(shù)
1、 電壓參數(shù)
(1) 最高電壓額定值 最高集電極電壓額定值是指集電極的擊穿電壓值，它不僅因器件不同而不同，而且會(huì)因外電路接法不同而不同。擊穿電壓有：① BUCBO為發(fā)射極開路時(shí)，集電極-基極的擊穿電壓。② BUCBO為基極開路時(shí)，集電極-發(fā)射極的擊穿電壓。③ BUCES為基極-射極短路時(shí)，集電極-發(fā)射極的擊穿電壓。④ BUCER為基極-發(fā)射極間并聯(lián)電阻時(shí)，集電極-發(fā)射極的擊穿電壓。并聯(lián)電阻越小，其值越高。⑤ BUCEX為基極-發(fā)射極施加反偏壓時(shí)，集電極-發(fā)射極的擊穿電壓。
各種不同接法時(shí)的擊穿電壓的關(guān)系如下：
BUCBO>BUCEX>BUCES>BUCER>BUCEO 為了保證器件工作安全，GTR的最高工作電壓UCEM應(yīng)比最小擊穿電壓BUCEO低。(2)飽和壓降UCES 處于深飽和區(qū)的集電極電壓稱為飽和壓降，在大功率應(yīng)用中它是一項(xiàng)重要指標(biāo)，因?yàn)樗P(guān)系到器件導(dǎo)通的功率損耗。單個(gè)GTR的飽和壓降一般不超過1~1.5V，它隨集電極電流ICM的增加而增大。
2、 電流參數(shù)(1) 集電極連續(xù)直流電流額定值IC 集電極連續(xù)直流電流額定值是指只要保證結(jié)溫不超過允許的最高結(jié)溫，晶體管允許連續(xù)通過的直流電流值。(2)集電極最大電流額定值ICM 集電極最大電流額定值是指在最高允許結(jié)溫下，不造成器件損壞的最大電流。超過該額定值必將導(dǎo)致晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的燒毀。在實(shí)際使用中，可以利用熱容量效應(yīng)，根據(jù)占空比來增大連續(xù)電流，但不能超過峰值額定電流。(3)基極電流最大允許值IBM 基極電流最大允許值比集電極最大電流額定值要小得多，通常IBM=(1/10~1/2)ICM，而基極發(fā)射極間的最大電壓額定值通常只有幾伏。
3、 其他參數(shù)(1)最高結(jié)溫TJM 最高結(jié)溫是指出正常工作時(shí)不損壞器件所允許的最高溫度。它由器件所用的半導(dǎo)體材料、制造工藝、封裝方式及可靠性要求來決定。塑封器件一般為120℃~150℃，金屬封裝為150℃~170℃。為了充分利用器件功率而又不超過允許結(jié)溫，GTR使用時(shí)必須選配合適的散熱器。(2)最大額定功耗PCM 最大額定功耗是指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。一般是在環(huán)境溫度為25℃時(shí)測(cè)定，如果環(huán)境溫度高于25℃，允許的PCM值應(yīng)當(dāng)減小。由于這部分功耗全部變成熱量使器件結(jié)溫升高，因此散熱條件對(duì)GTR的安全可靠十分重要，如果散熱條件不好，器件就會(huì)因溫度過高而燒毀;相反，如果散熱條件越好，在給定的范圍內(nèi)允許的功耗也越高。
4、 二次擊穿與安全工作區(qū)(1)二次擊穿現(xiàn)象 二次擊穿是GTR突然損壞的主要原因之一，成為影響其是否安全可靠使用的一個(gè)重要因素。前述的集電極-發(fā)射極擊穿電壓值BUCEO是一次擊穿電壓值，一次擊穿時(shí)集電極電流急劇增加，如果有外加電阻限制電流的增長(zhǎng)時(shí)，則一般不會(huì)引起GTR特性變壞。但不加以限制，就會(huì)導(dǎo)致破壞性的二次擊穿。二次擊穿是指器件發(fā)生一次擊穿后，集電極電流急劇增加，在某電壓電流點(diǎn)將產(chǎn)生向低阻抗高速移動(dòng)的負(fù)阻現(xiàn)象。一旦發(fā)生二次擊穿就會(huì)使器件受到永久性損壞。(2) 安全工作區(qū)(SOA)
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GTR在運(yùn)行中受電壓、電流、功率損耗和二次擊穿等額定值的限制。為了使GTR安全可靠地運(yùn)行，必須使其工作在安全工作區(qū)范圍內(nèi)。安全工作區(qū)是由GTR的二次擊穿功率PSB、集射極最高電壓UCEM、集電極最大電流ICM和集電極最大耗散功率PCM等參數(shù)限制的區(qū)域，如圖4的陰影部分所示。 安全工作區(qū)是在一定的溫度下得出的，例如環(huán)境溫度25℃或管子殼溫75℃等。使用時(shí)，如果超出上述指定的溫度值，則允許功耗和二次擊穿耐能都必須降低額定使用。
五、GTR的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路
1、 GTR驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求 GTR基極驅(qū)動(dòng)方式直接影響其工作狀態(tài)，可使某些特性參數(shù)得到改善或變壞，例如，過驅(qū)動(dòng)加速開通，減少開通損耗，但對(duì)關(guān)斷不利，增加了關(guān)斷損耗。驅(qū)動(dòng)電路有無快速保護(hù)功能，則是GTR在過壓、過流后是否損壞的重要條件。GTR的熱容量小，過載能力差，采用快速熔斷器和過電流繼電器是根本無法保護(hù)GTR的。因此，不再用切斷主電路的方法，而是采用快速切斷基極控制信號(hào)的方法進(jìn)行保護(hù)。這就將保護(hù)措施轉(zhuǎn)化成如何及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)到故障狀態(tài)和如何快速可靠地封鎖基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)這2個(gè)方面的問題。
(1) 設(shè)計(jì)基極驅(qū)動(dòng)電路考慮的因素 設(shè)計(jì)基極驅(qū)動(dòng)電路必須考慮的3個(gè)方面：優(yōu)化驅(qū)動(dòng)特性、驅(qū)動(dòng)方式和自動(dòng)快速保護(hù)功能。① 優(yōu)化驅(qū)動(dòng)特性優(yōu)化驅(qū)動(dòng)特性就是以理想的基極驅(qū)動(dòng)電流波形去控制器件的開關(guān)過程，保證較高的開關(guān)速度，減少開關(guān)損耗。優(yōu)化的基極驅(qū)動(dòng)電流波形與GTO門極驅(qū)動(dòng)電流波形相似。② 驅(qū)動(dòng)方式 驅(qū)動(dòng)方式按不同情況有不同的分類方法。在此處，驅(qū)動(dòng)方式是指驅(qū)動(dòng)電路與主電路之間的連接方式，它有直接和隔離2種驅(qū)動(dòng)方式：直接驅(qū)動(dòng)方式分為簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)、推挽驅(qū)動(dòng)和抗飽驅(qū)動(dòng)等形式;隔離驅(qū)動(dòng)方式分為光電隔離和電磁隔離形式。③ 自動(dòng)快速保護(hù)功能 在故障情況下，為了實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)切斷基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)以免GTR遭到損壞，必須采用快速保護(hù)措施。保護(hù)的類型一般有抗飽和、退抗飽和、過流、過壓、過熱和脈沖限制等。
(2) 基極驅(qū)動(dòng)電路 GTR的基極驅(qū)動(dòng)電路有恒流驅(qū)動(dòng)電路、抗飽和驅(qū)動(dòng)電路、固定反偏互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路、比例驅(qū)動(dòng)電路、集成化驅(qū)動(dòng)電路等多種形式。恒流驅(qū)動(dòng)電路是指其使GTR的基極電流保持恒定，不隨集電極電流變化而變化。抗飽和驅(qū)動(dòng)電路也稱為貝克箝位電路，其作用是讓GTR開通時(shí)處于準(zhǔn)飽和狀態(tài)，使其不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)，關(guān)斷時(shí)，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。固定反偏互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路是由具有正、負(fù)雙電源供電的互補(bǔ)輸出電路構(gòu)成的，當(dāng)電路輸出為正時(shí)，GTR導(dǎo)通;當(dāng)電路輸出為負(fù)時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，基區(qū)中的過剩載流子被迅速抽出，管子迅速關(guān)斷。比例驅(qū)動(dòng)電路是使GTR的基極電流正比于集電極電流的變化，保證在不同負(fù)載情況下，器件的飽和深度基本相同。集成化驅(qū)動(dòng)電路克服了上述電路元件多、電路復(fù)雜、穩(wěn)定性差、使用不方便等缺點(diǎn)。具有代表性的器件是THOMSON公司的UAA4003和三菱公司的M57215BL。 ①GTR的驅(qū)動(dòng)電路種類很多，下面介紹一種分立元件GTR的驅(qū)動(dòng)電路，如圖5所示。電路由電氣隔離和晶體管放大電路兩部分構(gòu)成。電路中的二極管VD2和電位補(bǔ)償二極管VD3組成貝克箝位抗飽和電路，可使GTR導(dǎo)通時(shí)處于臨界飽和狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載輕時(shí)，如果V5的發(fā)射極電流全部注入V，會(huì)使V過飽和，關(guān)斷時(shí)退飽和時(shí)間延長(zhǎng)。有了貝克電路后，當(dāng)V過飽和使得集電極電位低于基極電位時(shí)，VD2就會(huì)自動(dòng)導(dǎo)通，使得多余的驅(qū)動(dòng)電流流入集電極，維持Ubc≈0。這樣，就使得V導(dǎo)通時(shí)始終處于臨界飽和。圖中的C2為加速開通過程的電容，開通時(shí)，R5被C2短路。這樣就可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的過沖，同時(shí)增加前沿的陡度，加快開通。另外，在V5導(dǎo)通時(shí)C2充電，充電的極性為左正右負(fù)，為GTR的關(guān)斷做做準(zhǔn)備。當(dāng)V5截止V6導(dǎo)通時(shí)，C2上的充電電壓為V管的發(fā)射結(jié)施加反電壓，從而GTR迅速關(guān)斷。