1.2 变频器常用的电力晶体管

1.2.1 变频器常用电力晶体管组成及其特点

电力晶体管又称为大功率晶体管或双极晶体管，简称GTR或BJT，是一种由两个或多个晶体管复合而成的复合型晶体管（达林顿管）。通常多以模块封装方式出现，图1-1所示为GTR的单复合管模块内部典型电路，图1-2所示为GTR的双复合管模块内部典型电路。

1.变频器中使用的单GTR的构成特点

从图1-1中可以看出，晶体管VT1与VT2复合后的集电极作为GTR模块的C极；复合后的发射极作为GTR的E极，复合后的基极作为GTR的基极。

2.变频器中使用的双的构成特点

由于电力晶体管在变频器中主要用于逆变桥，故生产厂家通常又将两个GTR集成在一起，制成双复合管模块方式，其内部典型结构如图1-2所示。也有将六个GTR集成在一起，制成六管式GTR模块。

另外，由于在变频器的逆变电路中，各逆变管的输出端通常总需要反向并联一只二极管，故在GTR模块的旁边，也已经将反向并联的二极管集成到模块内部。

1.2.2 变频器常用电力晶体管的工作状态

电力晶体管的基本工作状态与普通晶体管的基本相同，这类晶体管的工作也有三种工作状态。

1.变频器中使用的电力晶体管的放大状态

（1）基极电流的计算

以单复合管CTR为例，其等效电路如图1-3所示。由于集电极电流的大小由基极电流确定，故有以下关系式

IC=β·IB

式中IC——单复合管GTR集电极电流，单位A；

β——GTR复合管电流放大倍数；

IB——单复合管GTR基极电流，单位A。

（2）耐压的计算

单复合管GTR中后级晶体管承受的耐压可以由以下公式计算得到

UCE=UC-IC·RC

式中UCE——单复合管GTR集电极与发射极之间承受的电压，单位V；

UC——加到单复合管GTR上的电源电压，单位V；

IC——单复合管GTR集电极电流，单位A；

RC——单复合管GTR集电极上的负载电阻，单位Ω。

2.变频器中使用的电力晶体管的截止状态

当加到单复合管GTR基极上的电流等于0时，GTR进入截止状态，其等效电路如图1-4所示。此时

IC≈0A（只有极小的泄漏电流）

UCE≈UC（C与E之间承受电源的全电压）

3.变频器中使用的电力晶体管的饱和导通状态

当IB＞UC/RC时，单复合管GTR进入饱和导通状态，其等效电路如图1-5所示。图中的虚线等效于连接短路线。

（1）GTR的管压

单复合管GTR的管压降近似于0V（实际约在2～3V之间），即

UCE≈0V

（2）GTR的集电极电流

单复合管GTR的集电极电流基本取决于欧姆定律，即

IC≈UC/RC

1.2.3 变频器常用电力晶体管的工作参数

1.电力晶体管截止状态下的击穿电压

电力晶体管在截止状态下的击穿电压的含义为在截止状态下，可以引起集电极与发射极之间击穿的最小电压。在基极开路时，该参数采用UCEO表示；在基极与发射极之间反向偏置时，采用UCEX表示，在大多数情况下，UCEO≈UCEX，两者数值基本相等。在380V等级的变频器中使用的GTR电力晶体管，通常可以选用UCEO=1200V的。

2.电力晶体管截止状态下的漏电流

电力晶体管在截止状态下漏电流的含义为：从集电极流向发射极的电流。在基极开路时，该参数采用ICEO表示；在基极与发射极之间反向偏置时，采用ICEX表示。

3.电力晶体管饱和导通状态下的集电极最大电流

电力晶体管在饱和导通状态下集电极最大电流的含义为：在饱和导通状态时，流过集电极中的最大允许电流，通常采用ICM来表示。

4.电力晶体管饱和导通状态下的饱和电压降

电力晶体管在饱和导通状态下饱和电压降的含义为：在饱和导通状态时，集电极与发射极之间的电压降，通常采用UCES来表示。

5.GTR电力晶体管开关过程中的开通时间

GTR电力晶体管开通时间的含义为：在基极通入正向信号电流IB1（GTR第一级管子的基极电流）时起，到集电极电流上升到饱和电流的90%（0.9ICS）所需要的时间，通常采用tON表示，如图1-6所示。

6.GTR电力晶体管开关过程中的关断时间

（1）关断时间

GTR电力晶体管关断时间的含义为：从基极电流消失（或加入反馈基极电流IB2）时起，到集电极电流下降到饱和电流的10%（即0.1ICS）所需要的时间，通常采用tOFF表示，如图1-6所示。

（2）需要说明的问题

GTR电力晶体管开通时间与关断时间的大小，会直接影响到脉宽调制时的载波频率。使用GTR时的上限载波频率为2kHz，实际使用的载波频率则在1.5kHz以下。

7.GTR模块的额定功率比其电压和电流的乘积小

为了便于说明和理解，以某一款UCEO=1200V、ICM=300A的电力晶体管GTR为例，其额定功率只有PC=2kW。但如果按照电压与电流的乘积计算，则：

PC=1200×300=360000=360kW

（1）差别的原因

由此可见，两者的相差很大，究其原因，主要是由于变频器中使用的GTR模块，是作为开关器件来使用的，也就是说，GTR模块中的晶体管电路仅使用了其饱和导通与截止两种工作状态。

（2）原理分析

GTR模块中的晶体管电路在截止状态时，由于泄漏电流极小，GTR消耗的功率微不足道。而在饱和导通状态时，GTR的饱和导通电压降不足5V，如果就按照5V来计算，当电流为300A时，功耗则约为

PC=5×300=1500=1.5kW

由此可见，GTR模块的额定功率是在其内部晶体管饱和导通状态的基础上，再适当增加一定的余量来确定的。

1.2.4 变频器常用电力晶体管驱动应用电路

1.GTR基极驱动电路的基本构成

在变频器中，用于驱动控制电力晶体管GTR的基极电路的典型结构如图1-7所示。图中的VT3即为电力晶体管，其前面的电路即为基极驱动控制电路，由集成电路驱动电路EXB359与普通晶体管VT1、VT2为核心构成。该电路的最大特点是尽量缩短GTR的导通与关断时间。其输出的控制信号波形如图1-8所示。

2.电力晶体管基极驱动电路中GTR的工作特点

（1）截止→饱和

为了保证晶体管尽快进入饱和状态，开始导通时的基极电流较大；当晶体管已经进入饱和状态时，为了便于在切换时容易退出饱和状态，故电路采用了适当减小基极电流的方法，来减轻饱和深度。

（2）饱和→截止

为了保证晶体管尽快进入截止状态，电路中的基极（b）与发射极（e）之间采用了反向配置方式。在基极与发射极之间刚开始加入反向电压时，基区里过剩的载流子被迅速抽出，故有较大的反向电流。

（3）保护电路

由于晶体管VT1与VT2基极与发射极之间的反向击穿电压UCBO较低（通常小于6V），为了防止在反向配置时被击穿，通常都在其基极与发射极之间连接有保护电阻器或二极管等，这些元件一般集成在集成电路内，以图1-7电路为例。如为分立元器件驱动电路，则保护元件直接连接在晶体管的基极与发射极之间。

（4）电路元件作用

在图1-7电路中，晶体管VT1与VT2构成了集成电路外接的互补驱动电路，其中的VT1用于向电力晶体管GTR（即VT3）提供正向的驱动电流，VT2用于向VT3提供反向驱动电流。

3.电力晶体管的缓冲电路的基本构成

在变频器中，电力晶体管的缓冲电路典型结构如图1-9所示。该电路的主要作用是减小电力晶体管GTR从饱和转变为截止时，集电极与发射极之间的电压变化率。

4.电力晶体管缓冲电路中GTR的工作原理

在变频器中，电力晶体管的缓冲电路典型结构如图1-9所示，由VT1与VT2各组成一路缓冲电路，两组电路的工作原理基本相同。下面以VT1组成的这一组电路为例来说明缓冲电路的工作原理。

（1）VT1饱和→截止

当VT1管从饱和状态转变为截止状态时，其集电极与发射极之间的电压将由近似于0V迅速上升为UCC（≈513V），这样高的电压变化率会使后级的电力晶体管损坏。

为了减小上述的电压变化率，图1-9电路中设置了缓冲电容器C1，利用该电容器上的电压不会突变的特点，来减缓UCE的上升率。

（2）VT1截止→饱和

在VT1管截止期间，C1电容器上的电压被充到近似于513V。一旦VT1管重又转变为饱和导通状态时，C1上的约513V电压将直接对VT1管放电，由此会形成较大的冲击电流，足以导致后级的电力晶体管GTR损坏。

为了减小上述的放电冲击电流，图1-9所示电路在放电回路中设置了限流电阻器R1。不过，由于限流电阻器R1的接入，会直接影响C1电容器减缓UCE上升率的作用，为了解决这一矛盾，电路中又设置了一个VD01二极管与R1电阻器并联。由于二极管具有钳位作用，故当VT1由饱和转变为截止状态时，C1电容器减缓电压变化率的作用不会受到影响；而当VT1从截止转变为饱和导通状态时，C1电容器的放电电流就会被R1电阻器减弱。

（3）需要说明的问题

图1-9所示仅是缓冲的电路一种基本应用方式，实际的缓冲电路常在此基础上进行了许多改进或补充，这里不再赘述。

5.采用GTR作为逆变器的变频器的特点

采用GTR作为变频器逆变器的典型应用电路如图1-10所示，该电路的特点主要有以下几个方面。

（1）输出电压

由于可以采用脉宽调制的方法，故GTR作为变频器逆变器的输出电压为幅值等于直流电压的强脉冲序列，如图1-11所示。

（2）载波频率

由于电力晶体管GTR的导通与关断时间均较长，故允许的载波频率较低，大部分变频器的上限载波频率约在1.2～1.5kHz范围内。

（3）电流波形

由于GTR作为变频器逆变器的载波频率较低，故电流的高次谐波成分较大，如图1-12所示。这些高次谐波电流就会在硅钢片中形成涡流，并使硅钢片相互之间产生电磁力而振动；同时，由于载波频率处于人耳声音较为敏感的区域，故可以听到电动机发出的较强的电磁噪声。

（4）输出转矩

由于GTR作为变频器逆变器的输出电流中高次谐波成分较大，故在50Hz频率时电动机轴上的输出转矩与工频运行时相比，将略有减小。