电力晶体管

在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。GTR通常工作在正偏(Ib>0)时大电流导通；反偏(Ib<0=时处于截止状态。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。

GTR是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力,产生于上个世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的符号,和普通的NPN晶体管一样。

电力晶体管(Giant Transistor)简称GTR又称BJT（Bipolar Junction Transistor），GTR和BJT这两个名称是等效的，结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。GTR由三层半导体、两个PN结组成。和小功率三极管一样，有PNP和NPN两种类型，GTR通常多用NPN结构。

1．GTR基极驱动电路

(1)对基极驱动电路的要求

①实现主电路与控制电路间的电隔离。

②导通时，基极正向驱动电流应有足够陡的前沿，并有一定幅度的强制电流，以加速开通过程，减小开通损耗。

③GTR导通期，基极电流都应使GTR处在临界饱和状态，这样既可降低导通饱和压降，又可缩短关断时间。

④在使GTR关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流，以加快关断速度，减小关断损耗。

⑤应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能。

(2)基极驱动电路

图4 实用的GTR驱动电路

2．集成化驱动

集成化驱动电路克服了一般电路元件多、电路复杂、稳定性差和使用不便的缺点，还增加了保护功能。

3．GTR的保护电路

开关频率较高，采用快熔保护是无效的。一般采用缓冲电路。主要有RC缓冲电路、充放电型R、C、VD缓冲电路和阻止放电型R、C、VD缓冲电路三种形式，如图5所示。

a) b) c)

图5 GTR的缓冲电路

图5a所示RC缓冲电路只适用于小容量的GTR(电流10 A以下)。图5b所示充放电型R、C、VD缓冲电路用于大容量的GTR。图5c所示阻止放电型R、C、VD缓冲电路，较常用于大容量GTR和高频开关电路，其最大优点是缓冲产生的损耗小。

(1)最高工作电压

(2)集电极最大允许电流ICM

(3)集电极最大允许耗散功率PCM

(4)最高工作结温TJM

二次击穿和安全工作区

(1)二次击穿

二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一个重要因素。当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。出现一次击穿后，只要Ic不超过与最大运行耗散功率相对应的限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不会有什么变化。但是实际应用中常常发现一次击穿发生时如不有效地限制电流，Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的突然下降，这种现象称为二次击穿。防止二次击穿的办法是：①应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多。②必须有电压电流缓冲保护措施。

(2)安全工作区

以直流极限参数ICM、PCM、UCEM构成的工作区为一次击穿工作区，以USB (二次击穿电压)与ISB (二次击穿电流)组成的PSB (二次击穿功率)是一个不等功率曲线。为了防止二次击穿，要选用足够大功率的GTR，实际使用的最高电压通常比GTR的极限电压低很多。

图2 GTR安全工作区

图3 GTR基极驱动电流波形

(1)静态特性

共发射极接法时可分为三个工作区：

① 截止区。在截止区内，iB≤0，uBE≤0，uBC<0，集电极只有漏电流流过。

② 放大区。iB >0，uBE>0，uBC<0，iC =βiB。

③ 饱和区。iB >Ics/β，uBE>0，uBC>0，iCS是集电极饱和电流，其值由外电路决定。

结论：两个PN结都为正向偏置是饱和的特征。饱和时，集电极、发射极间的管压降uCE很小，相当于开关接通，这时尽管电流很大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临界饱和，如iB继续增加，则为过饱和，用作开关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降低uCE和减小导通时的损耗。

(2)动态特性

GTR共发射极接法的输出特性

图1GTR开关特性

GTR在关断时漏电流很小，导通时饱和压降很小。因此，GTR在导通和关断状态下损耗都很小，但在关断和导通的转换过程中，电流和电压都较大，所以开关过程中损耗也较大。当开关频率较高时，开关损耗是总损耗的主要部分。因此，缩短开通和关断时间对降低损耗、提高效率和提高运行可靠性很有意义。

图6所示为三相桥式PWM逆变电路，功率开关器件为GTR，负载为电感性。从电路结构上看，三相桥式PWM变频电路只能选用双极性控制方式，其工作原理如下：

三相调制信号urU、urV和urW为相位依次相差120°的正弦波，而三相载波信号是公用一个正负方向变化的三角形波uc，如图6所示。U、V和W相自关断开关器件的控制方法相同，现以U相为例：在urU>uc的各区间，给上桥臂电力晶体管V1以导通驱动信号，而给下桥臂V4以关断信号，于是U相输出电压相对直流电源Ud中性点N’为uUN’ =Ud/2。在urU

绝缘栅场效应电力晶体管是一种集高频率、高电压、大电流于一身的新一代理想的电力半导体器件，是电力电子技术的第三次革命的代表产品，填补国内电力电子空白的产品。

一、项目概述

1、项目名称

绝缘栅双极晶体管IGBT

2、预计投资总额

项目总投资1.96亿元

项目建成达产后产量2000万只

（其中IGBT含IPM100万只，MOSFET1900万只）

二、厂址选择及依据

1、项目拟选厂址

项目拟选厂址为锦州经济技术开发区。

2、交通运输条件

发达的立体交通：锦州是连接中国东北、华北的交通枢纽，锦州经济技术开发区交通便利发达，已经形成了中国现代化的海、陆、空立体交通网络。

公路：102国道、京哈高速公路贯穿全区，以七里台为中心，锦州至北京、天津、沈阳、长春、哈尔滨、阜新、朝阳等地一点四射的高速公路网已形成。开发区距北京460公里，距沈阳198公里，距阜新117公里，距朝阳93公里。

铁路：锦州南站坐落区内，正在建设中的我国第一条快速客运双线电气化铁路——秦沈客运专线穿区而过，并有沈山、锦承、锦赤、沟海、大郑等8条铁路干线在此交汇。12.4公里长的高天地方铁路与京哈铁路大动脉相连并直通锦州港码头。

海运：锦州港坐落在开发区内，是中国最北端港口，属国家一类开放商港，是辽西地区及其广阔腹地通往世界的重要门户，是辽宁西部、内蒙古东部、黑龙江、吉林两省西部经济、合理、便捷的出海口岸。现有十个1～5万吨级泊位，港口年吞吐能力1600万吨，具有集装箱运输和杂货、油品及化工产品的装卸仓储运输多种功能。根据中国交通部水运规划设计院“锦州港总体布局规划”，锦州港将建港池五个，万吨以上泊位60个，总吞吐能力6000万吨以上。锦州港将建成大型油品大港、区域性杂货港、综合性集装箱港。目前二港池正在建设之中，将新增1.5万～3.5万吨级泊位13个，到2010实现年吞吐能力2000万吨，实现再造一个锦州港的目标，届时，锦州港将成为北方具有第三代港口特征的多功能区域枢纽港。

航空:锦州机场距开发区仅16公里，现已开通了北京、上海、广州、深圳、南京、青岛、大连、成都、昆明等10多条航线，是辽西地区唯一达到民航4C级标准并可起降大中型客机的机场。

3、项目所在地排水、供热、通讯、仓储能力

锦州经济技术开发区累计完成基本建设总投资50亿元，先期开发的20平方公里的范围内实现“六通一平”。全区共建成城市化道路39条、79.8公里，电话装机容量达到15000门，日供水能力达到6万吨，65公里的排水管线均已建成，供电能力达到38000千伏安，集中供热能力达到150万平方米，区域绿化面积达到49万平方米。标准工业厂房、仓储设施、保税仓库已全部交付使用。目前，开发区总体规划的港口、仓储、工业、商住、旅游五个功能小区粗初规模。

4、项目所在地自然环境

锦州经济技术开发区地势平坦，大部分为平地，山地极少，全区最大标高为136m，最小标高为1.12m。锦州开发区属温带海洋性季风气候，年平均气温9.4℃，年平均降水541.5mm，无洪水、海啸、台风历史。全区海岸线长17.2公里，近海滩涂2万亩，耕地8.8万亩，盛产高粱、玉米、海蛰、对虾、螃蟹、赤贝，是辽西地区最大的水产品基地和著名的渔米之乡。

5、项目所在地科研能力及从业人员状况

锦州经济技术开发区现有全日制高中一所、初中二所、小学26所，师资总数442人。其中高中已正式更名为“锦州市第四高级中学”，并成为北京师范大学教育教学指导校。目前，正在筹建一所重点小学。锦州是辽宁省科研、教育密集区之一，现有高等院校8所，中等专业学校11所，技工学校13所，职业技术中学80余所，各类科研机构57所，其中有国家信息产业部53研究所、辽宁工学院、辽宁省邮电设计院和市322研究所等多家电子信息科研机构，锦州已成为全国科技发达地区和中科院“面向世界、面向经济、面向未来、开发高科技产品”的两个重点合作地区之一。

三、市场预测

新型电力半导体器件——绝缘栅双极晶体管（IGBT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）是一种集高频率、高电压、大电流于一身的新一代理想的电力半导体器件，是电力电子技术的第三次革命的代表产品，填补国内电力电子空白的产品。

中国电力电子市场发展较快，“九五”其间将以15–20%速度发展，1996年电力电子市场总需求量为50亿元人民币，2000年达到130亿元人民币。

预计“十五”期间电力电子器件的年平均增长速度将超过20%，到2005年销售额将达110亿元。MOSFET和IGBT等新型电力电子器件的年平均增长率为25%，较一般电力电子器件的年平均增长率高。

中国市场需求的新型电力电子半导体器件基本依靠进口。2000年国内市场所需MOSFET和IGBT约为1.4亿只，2005年将达5亿只。

四、效益评估

经测算，税前内部收益率为25.66%；税后内部收益率为24.26%，均大于行业基准收益率12%。项目达产年税后利润为6230万元，销售利润率为20.09%；成本利润率为27.39%；总投资利润率25.08%；税后静态投资回收期为6.03年，税后动态投资回收期为7.53年。