由电子管至晶体管是电子发展的一大飞跃。晶体管又称为三极管或晶体三极管，它的应用非常广泛，是电子电路中应用的主要器件之一。晶体管有3个引脚，其中E脚为发射极、B脚为基极、C脚为集电极。这些管3个引脚的排列规律是：把晶体管有型号的平面向上，3只引脚对着自己，左边的一只引脚为发射极“E”脚，右边的一只引脚为集电极“C”脚，中间的一只引脚为基极“B”脚。......
2023-06-25
功率晶体管的原理和应用
【摘要】：功率晶体管是一种双极性型大功率高反压晶体管。GTR模块的基本单元是由功率晶体管芯片、高速恢复二极管芯片等组成的。一单元相当于一个功率晶体管，两单元相当于两个功率晶体管，以此类推。功率晶体管有三个极，分别是基极B、集电极C和发射极E。
功率晶体管（Giant Transistor，简称GTR）是一种双极性型大功率高反压晶体管。目前GTR的电流容量已经达到上千安培，在中小功率应用方面，GTR是取代晶闸管的自关断器件之一。
在电子控制型弧焊电源中，既有整流式晶体管模拟型弧焊电源，也有整流式晶体管开关型弧焊电源，而且还有晶体管式逆变弧焊电源。
1.晶体管的结构
晶体管的外形有三种基本形式：金属壳封装、塑料封装和模块，如图3-38所示。
晶体管也有三个电极：集电极E、发射极C和基极B，见图3-38d。
晶体管分为NPN型和PNP型两类；又有单管GTR、达林顿GTR（复合管）和GTR模块几种形式。
图3-38 晶体管外形与符号
a）金属壳封装的晶体管 b）塑料封装的晶体管 c）模块式晶体管 d）NPN型晶体管符号
单管GTR饱和压降UCES低，开关速度稍快，但是电流增益（放大倍数）β值小，电流容量小，驱动功率大，可以用于较小功率的弧焊电源；在大功率弧焊电源中则需要多只晶体管并联使用，因此在现代弧焊电源中已经很少采用了。
达林顿式GTR电流增益β值大，电流容量大，驱动功耗小，但饱和压降UCES较高，关断速度较慢。和单管GTR一样，达林顿式非模块化的GTR在现代逆变电路和弧焊电源中已不常用，应用比较广泛的是GTR模块。
GTR模块的基本单元是由功率晶体管芯片、高速恢复二极管芯片等组成的。GTR模块一般制成绝缘式结构，如图3-38c所示。它有一单元、两单元和六单元之分。一单元相当于一个功率晶体管，两单元相当于两个功率晶体管，以此类推。
2.功率晶体管的工作原理
功率晶体管基本结构与普通晶体三极管结构相似，如图3-39所示。功率晶体管有三个极，分别是基极B、集电极C和发射极E。在功率晶体管工作过程中，集电极C和发射极E分别与电源和负载连接，基极B和发射极E与控制晶体管的驱动电路相连接。
如图3-39b所示，当NPN型晶体管承受正向集电极电压时，为了使晶体管导通，必须使基极B和发射极E（PN结）之间有正向电流通过（即施加基极电流）。
3.功率晶体管的输出特性
功率晶体管的输出特性曲线是指集电极电流IC和电压UCE以及基极电流IB之间的关系曲线。如图3-40所示，晶体管的输出特性曲线分5个区：Ⅰ区为截止区，IB=0，IC为晶体管CE之间的漏电流，其值很小；Ⅱ区为线性放大区，当IB增加时，IC跟随IB线性增加；Ⅳ区为饱和区，该区间内，随着UCE连续降低，IC为一较大的值，已没有增长能力，这时的UCE称为GTR的饱和压降，用UCES表示，晶体管的状态称为饱和导通状态；Ⅲ区为准饱和区；Ⅴ区为击穿区，即当UCE增加到一定值时，即使IB不增加，IC这时也会增加的，UCE就是GTR的一次击穿电压，如果UCE继续增加，那么IC也增加。
图3-39 NPN型晶体管结构及工作原理
a）内部结构 b）工作原理
图3-40 晶体管输出特性
在整流式晶体管弧焊电源中，模拟型晶体管弧焊电源是指弧焊电源中的晶体管工作在晶体管的线性放大区，起可变电阻作用，用于调节电源输出电压、电流的大小；开关型晶体管弧焊电源是利用晶体管的开关性能，使晶体管工作在饱和区与截止区，通过晶体管导通时间的长短来调节电源输出电压、电流的大小；逆变式晶体管弧焊电源中的晶体管也是利用晶体管的开关性能，使晶体管工作在饱和区与截止区。
4.晶体管的基本参数
（1）电流放大倍数 如图3-40中的Ⅱ区，IC随IB线性增长，GTR的电流放大倍数用β表示，即
小功率晶体管的β值很高，从几十到几百都有。GTR的β值都不高，单管GTR的β值只有10左右，达林顿式GTR的β值可达几十甚至几百。
（2）额定电压 GTR的额定电压有多种，都是指的相应条件下一次击穿电压，并有下列关系：
BUCBO＞BUCEX＞BUCES＞BUCER＞BUCEO
式中 BUCBO——发射极E开路，集电极C与基极B之间的一次击穿电压；
BUCEX——BE之间加反压时，CE之间的一次击穿电压；
BUCES——BE短路时，CE之间的一次击穿电压；
BUCER——BE间接电阻时，CE之间的一次击穿电压；
BUCEO——B开路时，CE之间的一次击穿电压。
一般在GTR的参数表中都给出UCBO和UCEO，它们分别为BUCBO和BUCEO的80%左右，称为GTR的CB间和CE间的耐压，或者叫额定电压。
（3）额定电流ICE、额定结温Tj和最大耗散功率PCM额定电流ICE是指GTR在正常工作时，集电极所能承受的最大电流有效值。它是由管子的β值、结温和热阻（或者说耗散功率）决定的。
额定结温Tj是GTR正常工作时管芯所能承受的最高结温。GTR的额定结温与封装形式有很大关系。以硅管为例，一般塑封管Tj＜150℃，金属封装Tj＜175℃，平面装模块的GTR的Tj＜200℃。
GTR的最大耗散功率是由其额定结温和热阻决定的，用PCM表示。它要保证耗散功率为PCM时，管芯的温度不超过额定结温。
（4）du/dt和开关时间及开关频率GTR的C、E、B之间都存在有等效的结电容，分别为CBE、CEB和CCE。当BE之间加电压时，同样会产生位移电流：
iB=CBE·du/dt
当du/dt大到一定值时，iB就会使GTR导通，这是人们所不希望的。所以在BE间加电压的变化率du/dt不能太大。
GTR的开通和关断过程时间ton和toff比晶闸管要小得多，但是比场效应晶体管要大一些。尤其是达林顿式GTR，toff会长达几微秒。GTR在逆变弧焊电源中的开关频率不能太高，一般为5～10kHz。
达林顿GTR采用了达林顿结构，即由两个或多个晶体管复合而成，可以是NPN型，也可以是PNP型。达林顿GTR的共发射极电流增益大大提高，但饱和压降UCES也较高且关断速度较慢。
有关现代弧焊电源及其控制的文章
- 详细阅读
-
功率方向元件原理及应用详细阅读
例如，将以2000线的编码器直接安装连接在转速为5000r/min的电动机上，则可以计算得到QEPA和QEPB的信号频率为166.6kHz，所以通过测量QEPA或QEPB的信号频率，即可得到电动机的转速。将G、H 用电压U、电流I代替，就可以完成方向元件的比较。按式 计算得到的Δi实质是用叠加原理分析短路电流时的故障分量电流，负荷分量在式 中被减去了。......
2023-06-24
-
普通晶体管的工作原理和型号选型详细阅读
普通晶体管是由硅晶体或锗晶体制成的含有两个PN结的三端电子器件，分为NPN和PNP两种类型。在Uce减小到等于Ube时，晶体管将处于临界饱和状态。这是晶体管的重要性质。通过查找对应型号，即可知道不同代码贴片式晶体管的主要技术参数。一些常见贴片式晶体管与直插式晶体管的对应型号见表4-14。......
2023-06-18
-
场效应晶体管的工作原理和应用详细阅读
场效应晶体管分为结型场效应晶体管和绝缘栅型场效应晶体管。场效应晶体管分为N沟道和P沟道两种。为使场效应晶体管导通，在它承受正向漏极电压的同时，必须对栅极G施加正电压。IDM表征了功率场效应晶体管的电流容量。......
2023-06-30
- 详细阅读
-
光敏电阻器和光敏晶体管的特殊应用原理详细阅读
本书中使用的光敏元器件有光敏电阻器和光敏晶体管。两者都是利用半导体材料的光电效应原理制作的特殊光传感元器件，它们能够将光信号转变成电信号。电敏电阻器的检测方法是：将指针式万用表置于R×1k档，将红、黑表笔接触光敏电阻器的两个引脚，将光敏电器的感光窗口朝向光源，这时万用表的指针一般应向右偏转至几十欧姆，甚至几千欧姆处，此值称为光敏电阻器的亮阻值。图1-7 光敏电阻器的外形图图1-8 不同形状的光敏晶体管......
2023-06-25
-
如何计算视在功率和功率因数？详细阅读
高压用户功率因数高则电费单价也低。因此，改善功率因数可以节约电能，对国家有利；可以提高负载的电压等，对用电单位也有利。对新建的工厂，功率因数低于0.9时，不予供电。求视在功率和功率因数。......
2023-06-28
-
功率控制电路及其工作原理详细阅读
功率控制电路如图3-20所示。下面分析一下功率控制电路的工作原理。但是，晶体管V1的导通电阻Rce和控制电压Ube的关系并不是线性的，为此在晶体管V1的集电极和发射极之间并联了一个由同型号晶体三极管V2和电阻R5组成的支路。......
2023-06-26
相关推荐