電力晶體管

在電力電子技術(shù)中，GTR主要工作在開關(guān)狀態(tài)。GTR通常工作在正偏(Ib>0)時大電流導(dǎo)通；反偏(Ib<0=時處于截止?fàn)顟B(tài)。因此，給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅(qū)動信號，它將工作于導(dǎo)通和截止的開關(guān)狀態(tài)。

GTR是一種電流控制的雙極雙結(jié)大功率、高反壓電力電子器件，具有自關(guān)斷能力,產(chǎn)生于上個世紀(jì)70年代，其額定值已達(dá)1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具備晶體管飽和壓降低、開關(guān)時間短和安全工作區(qū)寬等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、開關(guān)損耗小、開關(guān)時間短，在電源、電機(jī)控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應(yīng)用廣泛。GTR的缺點(diǎn)是驅(qū)動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。在開關(guān)電源和UPS內(nèi)，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的符號,和普通的NPN晶體管一樣。

電力晶體管(Giant Transistor)簡稱GTR又稱BJT（Bipolar Junction Transistor），GTR和BJT這兩個名稱是等效的，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)。

1．GTR基極驅(qū)動電路

(1)對基極驅(qū)動電路的要求

①實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路間的電隔離。

②導(dǎo)通時，基極正向驅(qū)動電流應(yīng)有足夠陡的前沿，并有一定幅度的強(qiáng)制電流，以加速開通過程，減小開通損耗。

③GTR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)斷時間。

④在使GTR關(guān)斷時，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。

⑤應(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)動電路

圖4 實(shí)用的GTR驅(qū)動電路

2．集成化驅(qū)動

集成化驅(qū)動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

開關(guān)頻率較高，采用快熔保護(hù)是無效的。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5所示。

a) b) c)

圖5 GTR的緩沖電路

圖5a所示RC緩沖電路只適用于小容量的GTR(電流10 A以下)。圖5b所示充放電型R、C、VD緩沖電路用于大容量的GTR。圖5c所示阻止放電型R、C、VD緩沖電路，較常用于大容量GTR和高頻開關(guān)電路，其最大優(yōu)點(diǎn)是緩沖產(chǎn)生的損耗小。

(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重要因素。當(dāng)GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。出現(xiàn)一次擊穿后，只要Ic不超過與最大運(yùn)行耗散功率相對應(yīng)的限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不會有什么變化。但是實(shí)際應(yīng)用中常常發(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時如不有效地限制電流，Ic增大到某個臨界點(diǎn)時會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的突然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。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2 GTR安全工作區(qū)

圖3 GTR基極驅(qū)動電流波形

(1)靜態(tài)特性

共發(fā)射極接法時可分為三個工作區(qū)：

① 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。

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PN結(jié)都為正向偏置是飽和的特征。飽和時，集電極、發(fā)射極間的管壓降uCE很小，相當(dāng)于開關(guān)接通，這時盡管電流很大，但損耗并不大。GTR剛進(jìn)入飽和時為臨界飽和，如iB繼續(xù)增加，則為過飽和，用作開關(guān)時，應(yīng)工作在深度飽和狀態(tài)，這有利于降低uCE和減小導(dǎo)通時的損耗。

(2)動態(tài)特性

GTR共發(fā)射極接法的輸出特性

圖1GTR開關(guān)特性

GTR在關(guān)斷時漏電流很小，導(dǎo)通時飽和壓降很小。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)換過程中，電流和電壓都較大，所以開關(guān)過程中損耗也較大。當(dāng)開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗是總損耗的主要部分。因此，縮短開通和關(guān)斷時間對降低損耗、提高效率和提高運(yùn)行可靠性很有意義。

圖6所示為三相橋式PWM逆變電路，功率開關(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urU、urV和urW為相位依次相差120°的正弦波，而三相載波信號是公用一個正負(fù)方向變化的三角形波uc，如圖6所示。U、V和W相自關(guān)斷開關(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)動信號，而給下橋臂V4以關(guān)斷信號，于是U相輸出電壓相對直流電源Ud中性點(diǎn)N’為uUN’ =Ud/2。在urU

絕緣柵場效應(yīng)電力晶體管是一種集高頻率、高電壓、大電流于一身的新一代理想的電力半導(dǎo)體器件，是電力電子技術(shù)的第三次革命的代表產(chǎn)品，填補(bǔ)國內(nèi)電力電子空白的產(chǎn)品。

一、項目概述

1、項目名稱

絕緣柵雙極晶體管IGBT

2、預(yù)計投資總額

項目總投資1.96億元

項目建成達(dá)產(chǎn)后產(chǎn)量2000萬只

（其中IGBT含IPM100萬只，MOSFET1900萬只）

二、廠址選擇及依據(jù)

1、項目擬選廠址

項目擬選廠址為錦州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)。

2、交通運(yùn)輸條件

發(fā)達(dá)的立體交通：錦州是連接中國東北、華北的交通樞紐，錦州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)交通便利發(fā)達(dá)，已經(jīng)形成了中國現(xiàn)代化的海、陸、空立體交通網(wǎng)絡(luò)。

公路：102國道、京哈高速公路貫穿全區(qū)，以七里臺為中心，錦州至北京、天津、沈陽、長春、哈爾濱、阜新、朝陽等地一點(diǎn)四射的高速公路網(wǎng)已形成。開發(fā)區(qū)距北京460公里，距沈陽198公里，距阜新117公里，距朝陽93公里。

鐵路：錦州南站坐落區(qū)內(nèi)，正在建設(shè)中的我國第一條快速客運(yùn)雙線電氣化鐵路——秦沈客運(yùn)專線穿區(qū)而過，并有沈山、錦承、錦赤、溝海、大鄭等8條鐵路干線在此交匯。12.4公里長的高天地方鐵路與京哈鐵路大動脈相連并直通錦州港碼頭。

海運(yùn)：錦州港坐落在開發(fā)區(qū)內(nèi)，是中國最北端港口，屬國家一類開放商港，是遼西地區(qū)及其廣闊腹地通往世界的重要門戶，是遼寧西部、內(nèi)蒙古東部、黑龍江、吉林兩省西部經(jīng)濟(jì)、合理、便捷的出?？诎丁，F(xiàn)有十個1～5萬噸級泊位，港口年吞吐能力1600萬噸，具有集裝箱運(yùn)輸和雜貨、油品及化工產(chǎn)品的裝卸倉儲運(yùn)輸多種功能。根據(jù)中國交通部水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計院“錦州港總體布局規(guī)劃”，錦州港將建港池五個，萬噸以上泊位60個，總吞吐能力6000萬噸以上。錦州港將建成大型油品大港、區(qū)域性雜貨港、綜合性集裝箱港。目前二港池正在建設(shè)之中，將新增1.5萬～3.5萬噸級泊位13個，到2010實(shí)現(xiàn)年吞吐能力2000萬噸，實(shí)現(xiàn)再造一個錦州港的目標(biāo)，屆時，錦州港將成為北方具有第三代港口特征的多功能區(qū)域樞紐港。

航空:錦州機(jī)場距開發(fā)區(qū)僅16公里，現(xiàn)已開通了北京、上海、廣州、深圳、南京、青島、大連、成都、昆明等10多條航線，是遼西地區(qū)唯一達(dá)到民航4C級標(biāo)準(zhǔn)并可起降大中型客機(jī)的機(jī)場。

3、項目所在地排水、供熱、通訊、倉儲能力

錦州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)累計完成基本建設(shè)總投資50億元，先期開發(fā)的20平方公里的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)“六通一平”。全區(qū)共建成城市化道路39條、79.8公里，電話裝機(jī)容量達(dá)到15000門，日供水能力達(dá)到6萬噸，65公里的排水管線均已建成，供電能力達(dá)到38000千伏安，集中供熱能力達(dá)到150萬平方米，區(qū)域綠化面積達(dá)到49萬平方米。標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)廠房、倉儲設(shè)施、保稅倉庫已全部交付使用。目前，開發(fā)區(qū)總體規(guī)劃的港口、倉儲、工業(yè)、商住、旅游五個功能小區(qū)粗初規(guī)模。

4、項目所在地自然環(huán)境

錦州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)地勢平坦，大部分為平地，山地極少，全區(qū)最大標(biāo)高為136m，最小標(biāo)高為1.12m。錦州開發(fā)區(qū)屬溫帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫9.4℃，年平均降水541.5mm，無洪水、海嘯、臺風(fēng)歷史。全區(qū)海岸線長17.2公里，近海灘涂2萬畝，耕地8.8萬畝，盛產(chǎn)高粱、玉米、海蟄、對蝦、螃蟹、赤貝，是遼西地區(qū)最大的水產(chǎn)品基地和著名的漁米之鄉(xiāng)。

5、項目所在地科研能力及從業(yè)人員狀況

錦州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)現(xiàn)有全日制高中一所、初中二所、小學(xué)26所，師資總數(shù)442人。其中高中已正式更名為“錦州市第四高級中學(xué)”，并成為北京師范大學(xué)教育教學(xué)指導(dǎo)校。目前，正在籌建一所重點(diǎn)小學(xué)。錦州是遼寧省科研、教育密集區(qū)之一，現(xiàn)有高等院校8所，中等專業(yè)學(xué)校11所，技工學(xué)校13所，職業(yè)技術(shù)中學(xué)80余所，各類科研機(jī)構(gòu)57所，其中有國家信息產(chǎn)業(yè)部53研究所、遼寧工學(xué)院、遼寧省郵電設(shè)計院和市322研究所等多家電子信息科研機(jī)構(gòu)，錦州已成為全國科技發(fā)達(dá)地區(qū)和中科院“面向世界、面向經(jīng)濟(jì)、面向未來、開發(fā)高科技產(chǎn)品”的兩個重點(diǎn)合作地區(qū)之一。

三、市場預(yù)測

新型電力半導(dǎo)體器件——絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）是一種集高頻率、高電壓、大電流于一身的新一代理想的電力半導(dǎo)體器件，是電力電子技術(shù)的第三次革命的代表產(chǎn)品，填補(bǔ)國內(nèi)電力電子空白的產(chǎn)品。

中國電力電子市場發(fā)展較快，“九五”其間將以15–20%速度發(fā)展，1996年電力電子市場總需求量為50億元人民幣，2000年達(dá)到130億元人民幣。

預(yù)計“十五”期間電力電子器件的年平均增長速度將超過20%，到2005年銷售額將達(dá)110億元。MOSFET和IGBT等新型電力電子器件的年平均增長率為25%，較一般電力電子器件的年平均增長率高。

中國市場需求的新型電力電子半導(dǎo)體器件基本依靠進(jìn)口。2000年國內(nèi)市場所需MOSFET和IGBT約為1.4億只，2005年將達(dá)5億只。

四、效益評估

經(jīng)測算，稅前內(nèi)部收益率為25.66%；稅后內(nèi)部收益率為24.26%，均大于行業(yè)基準(zhǔn)收益率12%。項目達(dá)產(chǎn)年稅后利潤為6230萬元，銷售利潤率為20.09%；成本利潤率為27.39%；總投資利潤率25.08%；稅后靜態(tài)投資回收期為6.03年，稅后動態(tài)投資回收期為7.53年。