变频器电力电子器件中双极晶体管(BJT)简介

    ①结构。BJT (Bipolar Junction Transistor)亦称巨型晶体管GTR (Giant Transistor)。它是一种大功率的双极型高反压晶体管，其结构如图1 24所示。它的基本特征与一般NPN型三极管相似，需在基极提供一定的电流才能正常工作。在电力电子应用中，BJT主要工作于开关状态，即用于截止和饱和导通状态，并要求有大容量（高压、大电流）、适当的增益、较高的开关速度和较低的功耗等。故在电力电子应用的BJT结构上都采用达林顿形式，即由多个晶体管复合组成大功率晶体管，以有效地提高电流增益和器件容量。
    图1-24    BJT的结构示意图    目前，在通用变频器中普遍使用的是一种模块型电力晶体管。其特点一是把续流二极管、加速二极管和达林顿BJT组装成一个单元，二是把BJT的三个极与散热片隔离，也就是使散热片上不带电，使变频器的散热更均匀，结构更趋于小型化，性能价格比大大提高。图1-25所示为由两只三极达林顿管BJT及辅助元件构成的单桥式BJT模块的等效电路。
    图1-25    BJT模块的等效电路    为了方便使用，使变频器集成度更高，体积更小，BJT模块做成一单元结构、二单元结构、四单元结构和六单元结构。不同单元的简化结构如图1-26所示。目前BJT的容量范围已达到450V/30A～1500V／800A。
    图1-26    BJT模块的不同结构    ②BJT的主要参数    a．开路阻断电压UCEO。开路阻断电压一般以基极开路CE极间能承受的电压UCEO代表，它体现了BJT的耐压能力。在通用变频器中，为保证工作可靠，选用元器件容量时常留有一定余地，例如，用于220V交流电网时BJT选600V等级，用于360V交流电网时BJT大多使用1200V等级。    b．集电极最大持续电流Ic。集电极最大持续电流是当基极正偏置时，集电极能流入的最大电流。    开路阻断电压和集电极最大持续电流体现了BJT的容量。    c．电流增益hFE。电流增益有时亦称为电流放大倍数，定义为集电极电流与基极电流的比值．即    hFE=Ic/IB (1-3)    在变频器中，BJT是当作开关器件来使用的，因此，集电极电流Ic≤hFEIB，其实际值取决于具体电路结构。hFE是一个重要参数，它的值越大，管子驱动电路功率越小。对于单管BJT来说，hFE=70～100，当使用温升提高后，hFE略有下降。    d．开关频率。在BJT的使用说明中，并不直接给出开关频率这个参数．而是间接给出开通时间ton、存储时间ts和下降时间tf，通过这些数据估算出BJT的工作频率。    由于BJT不是理想开关器件，其内部PN绪处电荷的聚集和扩散需要一定的过渡过程。图1-27给出BJT在阻性负载时的典型开关过程。当基极电流IB1为正向阶跃信号，经过一段时间td延迟后，UBE才能上升到饱和值UBES，同时，集电极一发射极电压UCE将从100%下降到90%，td称为延迟时间。以后UCE迅速降至10%，而Ic则上升到稳态值的90%，这段时间定义为上升时间tr，而开通时间ton是延迟时间td和上升时间tr之和，即    ton=td+tr    (1-4)    当BJT关断时，为加快关断，常在基极加上反向阶跃信号IB2。由图可见，从反向基流注入开始，到UCE上升到10%的时间称为存储时间ts。然后，UCE继续上升到90%，IC下降到10%，这段时间称为下降时间tf，则BJT的关断时间toff是这两部分之和，即    toff=ts+tf   (1-5)    ③BJT的驱动电路。由于驱动电路对BJT的使用至关重要，因此市场上已提供专门的驱动模块用于BJT的驱动。下面仅以EXB357为例介绍其性能和使用方法。EXB357驱动模块的电性能见表1-3。
    图1-27    BJT开关运行的波形    表1-3    EXB357驱动模块的电性能
    EXB357的外形如图1-28所示，其应用电路如图1-29所示。其引脚为单列直插结构，使用条件如下：
    图1-28    EXB357驱动模块外形图
    图1-29    EXB357驱动模块应用电路图    壳体温度 Tc=-10～58℃    关断电流  小于400A    驱动电源Ucc=UEE=8.5V    功放管VT1和VT2型号ZSB757，平衡电阻R=0.09Ω