2.2 双极型晶体管（BJT）

2.2.1 BJT的发展

BJT是一种大功率的开关器件。BJT从1974年开始问世。

最近几年来，BJT的发展主要集中在高速开关反相应用器件方面。由于双扩散工艺的成熟，使器件的电压、电流、频率等额定值达到很高水平，并已出现了许多具有较快开关速度和较低开关损耗的新器件，其性能远远超过晶闸管。随着模块化技术的进步，巨型晶体管已向高耐压、大容量方向发展。20世纪90年代初期，400A、1400V的器件就已产品化。

BJT应用的主要局限性是随着阻断电压的增加，器件增益降低。另外由于BJT是电流控制型器件，所以控制信号就需要由分立电路来实现，从而增加了成本。随着电力达林顿器件和模块的产业化，虽已大幅度提高了器件性能，但工作中仍然需要较大的驱动功率。其次，由于受安全工作区（Safe Operation Area，SOA）所限，BJT的应用需要缓冲电路，这也会提高应用成本。

近几年来，在电动机控制、不间断电源等领域中，为了实现低噪声、小型化、高精度等目标，应对在高频下工作的大容量器件的需求，BJT多种电力复合器件应运而生。

2.2.2 BJT的特点

BJT模块是电力半导体模块中最常见的一种。它是将达林顿晶体管芯片、续流二极管和快速二极管通过内引线连接，封装在同一处壳中的大功率器件。其图形符号如图2-3所示。

图2-3 BJT模块的内部简化结构

a）一单元模块 b）二单元模块 c）四单元模块 d）六单元模块

BJT除了高电压、大电流的特点外，与晶闸管相比，还具有开关速度快、驱动电路简单、放大系数高、可靠性高、功耗低、成本低等优点。因此，在中小功率交流调速、逆变及斩波等方面逐渐取代晶闸管。

BJT模块是将1、2、4、6个高速大功率达林顿晶体管芯片和高速浪涌二极管芯片等组装在一起，通过烧结、压焊、封装而成的，图2-3是这些模块的等效电路，其特点如下：

1）BJT将二级或三级达林顿器件集成在一个芯片中，电流分配均匀、SOA宽。

2）电流增益高、饱和压降低、驱动电流小、功率损耗小。

3）结构合理。3个主端子设置在同一平面上，可以进行总线焊片的平面配线，使配线容易。另外，基极端子与主端子分开，抗噪声干扰能力强。一些模块设置了信号端，使模块很容易并联工作。

4）管芯和散热基板绝缘，安装时不须再考虑与散热器的绝缘问题。也可将多个BJT安装在同一散热器上。在模块内部将电极端与铜基板之间用陶瓷片做了有效的电绝缘，所以不用另加绝缘散热片就可直接使用。

5）相对于单个BJT来说，对模块的可靠性要求更高。因为管芯中若有一个芯片发生故障，就会导致整个模块失效。基于对各芯片的一致性、稳定性和可靠性的要求，一般采用玻璃钝化技术和树脂封装结构，使耐潮湿、抗振、抗冲击性能良好，具有芯片钝化效果，而且环氧树脂是非易燃物，有阻燃性。

6）在大面积硅晶体管芯片的集电极与铜电极之间，用钼片缓冲了由于硅、铜热膨胀系数相差较大而引起的应力。芯片和钼片的结合应用于高温焊锡，避免了热阻的增加及芯片断裂，可使BJT经受长时间的高温存贮、高温反偏及多次温度循环、关断试验、寿命试验，显示了良好的高温性能。

2.2.3 BJT的工作特性

工作特性分为静态特性与动态特性。

1.静态特性

BJT的静态特性可分为输入特性和输出特性。

（1）输入特性。输入特性如图2-4a所示，它与二极管PN结的正向伏安特性相似。当U_CE增大时，输入特性右移。一般情况下，BJT的正向偏压U_CE大约为1V。

图2-4 BJT的输入、输出特性

a）输入特性 b）输出特性

（2）输出特性。BJT运行时常采用共射极接法，共射极电路的输出特性是指集电极电流I_C和集电极-发射极电压U_CE的函数关系，如图2-4b所示。由图中可以看出，BJT的工作状态可以分成四个区域：截止区（也称阻断区）、线性放大区、准饱和区和饱和区（也称深饱和区）。截止区对应于基极电流I_B等于零的情况，在该区域中，BJT承受高电压，仅有很小的漏电流存在，相当于开关处于断态的情况。而在饱和区中，在基极电流变化时，集电极电流却不再随之变化。此时，该区域的电流增益与导通电压均很小，相当于处于通态的开关。此区的特点是发射结和集电结均处于正向偏置状态。

2.动态特性

BJT主要工作在截止区及饱和区，切换过程中快速通过线性放大区，这个开关过程反映了BJT的动态特性。

当在BJT基极上施以脉冲驱动信号时，BJT将工作在开关状态，如图2-5所示。在t₀时刻加

图2-5 BJT动态等效电路及开关特性

a）等效电路 b）开关特性

入正向基极电流，BJT经延迟和上升阶段后达到饱和区，故开通时间t_on为延迟时间t_d与上升时间t_r之和，其中t_d是由基极与发射极间结电容C_be充电而引起的，t_r是由基区电荷储存需要一定时间而造成的。当反向基极电流信号加到基极上时，BJT经存储和下降阶段才返回截止区，则关断时间t_off为存储时间t_s与下降时间t_f之和，其中t_s是由除去基区超量储存电荷过程引起的，t_f是由基极与发射极间结电容C_be放电而产生的结果。

在实际应用时，增大驱动电流，可使t_d和t_r都减小，但电流也不能太大，否则将增大存储时间。在关断BJT时，加反向基极电压可加快电容上电荷的释放，从而减小t_s与t_f，但基极电压不能太大，以免使发射结击穿。

当BJT用作电力开关时，存储时间和开关损耗是两个重要参数。如果存储时间不能压缩到较小的数值，则晶体管的关断损耗将明显地增大，图2-6所示为BJT在电感负载下的典型关断过程。由于t_s和t_f的存在，晶体管在关断过程中同时承受较大的I_C和U_CE，如果在关断过程中出现的损耗峰值I_CU_CE超过安全工作区所限定的界限，晶体管将损坏。

图2-6 BJT关断时的曲线

2.2.4 BJT的驱动

基极驱动信号对BJT的正常运行起着极其重要的作用，正确设计驱动电路对每一个使用者都是重要的，而且是不可避免的问题，基极驱动信号包括正向偏置基极电流I_B1和反向偏置基极电流I_B2和电流上升率等。增加I_B1和I_B2，或减小I_B1和I_B2，都是有利也有弊，图2-7示出改变I_B1和I_B2大小时的利弊关系。

可见，BJT的特性随基极驱动条件而变化。为了减小开关损耗，综合图2-7的优点，可以采用图2-8所示的基极驱动电流波形。当控制BJT开通时，注入足够大的I_B1，以缩短它的开通时间t_on，从而降低导通损耗。当晶体管正常导通后，可以适当减小I_B1，只要有足够的基极电流I_BC使它不至于退出饱和区而进入线性放大区，此时晶体管最好是处于准饱和区，准饱和区的特点是U_CE≈U_BE。从准饱和区开始关断十分有利，它可以缩短关断时间，从而也减小了开关损耗。在准饱和条件下，对BJT进行关断，可以对反向基极电流I_B2的变化率不加限制，一般情况下，利用基极回路的连接线电感就足够了。BJT关断时，若使I_B2值增加，会缩短关断时间，但同时也使反向偏置安全工作区（Reverse Bias Safe Operating Area，RBSOA）变窄，所以要根据BJT的RB-SOA特性，适当选择I_B2的大小。

图2-7 I_B1和I_B2增加时的利弊

图2-8 基极驱动电流波形

2.2.5 BJT的主要参数

（1）集电极额定电压U_CEM。加在BJT上的电压如超过规定值时，会出现电压击穿现象。击穿电压与BJT本身特性及外电路的接法有关。各种不同接法时的击穿电压的关系如下

U_（BR）CBO＞U_（BR）CEX＞U_（BR）CES＞U_（BR）CER＞U_（BR）CEO （2-1）

式中 U（BR）CBO——发射极开路，集电极与基极间的反向击穿电压；

U_（BR）CEX——发射极反向偏置时集电极与发射极间的击穿电压；U_（BR）CES、U_（BR）CER——发射极与基极间用电阻连接或短路连接时集电极和发射极间的击穿电压；

U_（BR）CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。

BJT的最高工作电压U（BR）CEM应比最小击穿电压U（BR）CEO低，从而保证器件工作安全。

（2）饱和压降U_CES。单个BJT的饱和压降一般不超过1～1.5V，U_CES随集电极电流I_CM的增大而增大。

（3）电流增益h_FE。电流增益h_FE有时也称为电流放大倍数或电流传输比。它是集电极电流与基极电流的比值，即

在变频器中，BJT都是当做开关器件使用的，因此集电极电流I_C≤h_FEI_B，其中I_C的实际值取决于具体电路和工作环境。h_FE是一个重要参数，它的值越大，管子的驱动电路功率越小，这是线路设计者所期望的。目前，达林顿型BJT的h_FE值的范围为50～20000。

（4）开关频率。由于BJT在变频器及其他很多应用场合都是作为开关器件工作的，因此它的开关频率是所有的用户关心的重要参数。但是在BJT的使用说明中，并不直接给出开关频率这个参数，而是给出开通时间t_on、存储时间t_s和下降时间t_f，通过这几个时间值，可以估算出BJT的最高工作频率。

2.2.6 BJT的二次击穿现象与安全工作区

图2-9 BJT的二次击穿现象

a）二次击穿示意图 b）二次击穿临界线

1.二次击穿现象

二次击穿是BJT突然损坏的主要原因之一，成为影响其安全可靠使用的一个重要因素。二次击穿现象可以用图2-9a来说明。当集电极电压U_CE增大到集射极间的击穿电压U（BR）CEO时，集电极电流I_C将急剧增大，出现击穿现象，如图2-9a的AB段所示。这是首次出现正常性质的雪崩现象，称为一次击穿，一般不会损坏BJT。一次击穿后，如继续增大外加电压U_CE，电流I_C将持续增长。当达到图示的C点仍继续让BJT工作时，由于U_CE高，将产生相当大的能量，使集电极局部过热。当过热持续时间超过一定程度时，U_CE会急剧下降至某一低电压值，如果没有限流措施，则将进入低电压、大电流的负阻区CD段，电流增长直至器件烧毁。这种向低电压、大电流状态的跃变称为二次击穿，C点为二次击穿的临界点。所以二次击穿是在极短的时间（纳秒至微秒级）内，能量在半导体处局部集中，形成热斑点，导致热电击穿的过程。

二次击穿在基极正偏（I_B＞0）、反偏（I_B＜0）及基极开路的零偏状态下均成立，如图2-9b所示。把不同基极偏置状态下开始发生二次击穿所对应的临界点连接起来，可形成二次击穿临界线。由于正偏时二次击穿所需功率往往小于器件的功率容量P_CM，故正偏对BJT安全造成的威胁最大。反偏工作时尽管集电极电流很小，但在电感负载下关断时，将有感应电动势叠加在电源电压上形成高压，也能使瞬时功率超过器件的功率容量而造成二次击穿。

为了防止发生二次击穿，重要的是保证BJT开关过程中瞬时功率不要超过允许的功率容量P_CM，这可通过规定BJT的SOA及采用缓冲（吸收）电路来实现。

2.安全工作区SOA

二次击穿在基极正偏（I_B＜0）、反偏（I_B＜0）及基极开路的零偏状态下均成立，因此BJT在工作时不能超过最高工作电压U_CEM、峰值脉冲额定（集电极）电流I_CM、最大耗散功率P_CM及二次击穿临界线。这些限制条件构成了BJT的SOA。

当器件工作在脉冲状态下，SOA要比工作在直流状态下大，SOA随脉冲宽度（Pulse Width，）减小而进一步扩大，故BJT在高频工作时SOA最大。

SOA在基极正向偏置时称为正向偏置安全工作区（Forward Bias Safe Operating Area，FB-SOA），如图2-10a所示；SOA在基极反向偏置时称为RBSOA，如图2-10b所示。可以看出，RB-SOA要比FBSOA大。利用这个特点，可以在BJT关断瞬间施加负基极电压，使器件处于反向偏置状态，从而确保关断过程的安全。

图2-10 BJT的安全工作区

a）RBSOA b）FBSOA

2.2.7 BJT的保护

图2-11 直流回路的过电压保护

为了使BJT在厂商规定的安全工作区内可靠地工作，必须对BJT采取必要的保护措施，比如过电流保护、过电压保护、过热保护等，以便增加系统的可靠性。

1.过电压保护

20世纪80年代初期，由BJT构成的通用变频器，都采用由电容、电阻构成的缓冲电路与BJT并联，来抑制晶体管截止可能产生的过电压。但是到了20世纪80年代末，随着技术的进步，BJT的可承受能力进一步提高、波形进一步改善等，缓冲电路已经不是必需的，去掉缓冲电路使变频器的体积更小，可靠性更高。剩下的过电压保护措施就是与BJT反向并联的续流二极管VD和直流回路的过电压保护，如图2-11中仅画出逆变器一个桥臂的电路。当通用变频器内的BJT截止时，二极管将A点电压钳位在中间直流回路上，以保护晶体管，使它不至于过电压而烧损。

当电动机减速或制动运行时，从机械能转换过来的电能会使中间直流回路的电压上升，为了抑制这个直流电压的上升，通常加电压保护环节，当电压超过允许值时，开通晶体管V_B如图2-11所示，通过放电电阻R_B将电能放掉，使直流电压稳定在需要的值上。放电电阻R_B也称为制动电阻或脉冲电阻，对于通用变频器，当变频器容量小时，制动电阻内置，4kW以上往往要外接。另外，直流回路的电解电容器也起着重要的过电压吸收作用。

2.过电流保护

BJT在使用中损坏最多的原因是过电流而将晶体管烧坏。导致过电流的原因有许多，表2-1列出了BJT在通用变频器中的过电流现象及产生原因。

表2-1 变频器的过电流原因

BJT在过电流时，瞬时损耗非常高，其速度特别快，不可能像晶闸管那样用快速熔断器来保护，广泛使用的方法是使过电流的BJT很快截止。要想使它很快截止，就要知道何时晶体管过电流，这就需要加入电流检测元件。

目前，小容量通用变频器的电流检测采用电阻器，中、大容量通用变频器采用有电流隔离作用的电流检测器。由于电流检测器安装的位置不同，电流检测准确度和方式也不同，图2-12为通用变频器的基本电路和电流检测器的安装位置。

方法①：与滤波电容器串联一起接入，用一个检测器可检测表2-1中所列原因导致的过电流，但每相电流的检测准确度不高；

方法②：串入变频器输入端，仅用一个检测器可检测表2-1中所列的各种过电流，检测准确度与方法①一样；

方法③：接在变频器的输出端，用三个检测器可高准确度地检测，但不包括一个桥臂短路造成的过电流；

方法④：与每个BJT串联，用6个检测器可高准确度地检测出表2-1中列出的任何原因引起的过电流现象。

一般来说，过电流有两种情况：一种是正常过电流，当电流超过设计者限定的电流时，电流检测器检测到过电流信号，反馈给控制回路，使BJT截止以减小电流；另一种是不正常的短路，这时来自电流检测器的反馈信号，产生截止信号，使所有的BJT关断。对于前一种过电流情况，一般的电流检测器如电流互感器可以满足要求，但是，对于短路过电流，其电流上升很快，当电流互感器还没有响应时，晶体管可能已经烧坏了。因此，要使用快速电流检测元件，如分流电阻器或霍尔元件。在通用变频器中，除了使用电流检测元件进行过电流检测之外，还采用某些具有过电流保护功能的驱动电路。

图2-13是一种典型的过电流保护电路，它的工作原理如下：在正常情况下，晶体管导通时，集电极电流增加，而集电极-发射极电压U_CE很小，为临界饱和电压。当非正常过电流时，随着集电极电流I_C增加，达到I_C>h_FEI_B1后，集电极-发射极电压U_CE迅速升高，如图2-14所示，BJT的基极正向偏置电流恒定时的输出特性。根据这个输出特性的原理，U_CE信号可用于反映过电流的反馈信号，图2-13的过电流保护电路就是用这个原理构成的。当BJT正常导通时，C点电压接近0V，由于VD₂的作用，使A点电位钳制在接近0V，晶体管V₁截止，B点受基极信号控制。当BJT过电流时，集电极-发射极电压U_CE迅速上升，VD₂承受反向电压而截止，由R₁和C₁的充电作用，A点电位逐渐升高，直到使V₁导通而饱和，将B点电位下拉到接近0V，从而使BJT可靠截止，限制了过电流。R₁和C₁有两个作用，其一是当BJT的基极加正向偏置信号使其导通瞬间，C₁瞬时短路，保持V₁的截止状态，以致不影响BJT的导通。当C₁充电电压上升时，还没到V₁导通，BJT已经导通，由VD₂的作用，使A点钳位。V₁始终不导通，BJT正常工作。其二是当BJT过电流时，U_CE迅速上升，VD₂立即反向截止，A点电位开始积分（延时），当积分到V₁导通时，BJT截止，这段时间为保护动作时间，是由R₁和C₁的参数决定的。这种过电流保护电路可以在10μs的时间内将过电流的BJT截止。

图2-12 通用变频器的基本电路和电流检测器的安装位置

图2-13 过电流保护电路

图2-14 BJT的输出特性

2.2.8 BJT的选择

1.BJT的电压等级选择

BJT的选择就是使BJT的性能参数能够满足使用条件，当BJT应用于通用变频器时，主要的参数选择是电压等级和集电极的电流等级，而其他的参数则很容易确定。

通用变频器主电路包括接到交流电网上的二极管整流桥、直流回路电容滤波环节和逆变环节。BJT和续流二极管构成逆变环节。而逆变环节的输入电压为经过整流滤波后的直流电压，用U_d来表示，则直流电压U_d可由下式求得：

式中 K——电源干扰因子，K=1.1；

U_in——输入变频器的交流电网电压（V）。

当直流电压升高，超过一定数量时，应该进行过电压保护，取过电压保护动作值为直流电压的1.15倍；同时考虑到BJT关断时的电压尖峰脉冲为100V，则BJT承受的电压峰值U_CEP为

U_CEP=（1.15U_d+100）β_v （2-4）

式中 β_v——安全系数，β_v=1.1。

BJT的阻断电压值U（BR）CEO应该大于U_CEP，由此原则选择BJT的电压值。

2.BJT电流等级的选择

假设变频器的设计容量为P，那么有如下关系

式中 P——设计容量，即变频器的输出功率（kW）；

I₀——变频器交流输出的线电流有效值（A）；

U₀——变频器交流输出的线电压有效值（V）。

取变频器输出电压比输入电压降低10%，则有

U₀=0.9U_in （2-6）根据式（2-4）和式（2-5），得到电流有效值I₀为

而电流关系如下：

式中 I_C——BJT的集电极电流（A）；——变频器输出交流线电流最大值（A）；

K₁——过载能力，选为1.5倍额定值；

β_I——电流安全系数，β_I=1.5。

例：已知变频器的交流电网电压为U_in=440V，变频器的设计容量为P=45kW，试选择BJT的电压和电流等级。

解：

（1）电压等级选择：根据式（2-3）、式（2-4）有

U_CEP=（1.15U_d+100）β_v=[（1.15×684+100）×1.1]V=992V

所以，选择1200V的晶体管可以满足要求。

（2）电流等级选择：根据式（2-7）、式（2-8）有

可见，所选BJT的集电极电流I_C应该大于209A，而BJT的电流等级为200A和300A，选200A的晶体管，裕量太小，选300A的较为合适。富士公司生产的1200V/300A的晶体管有1DI300A-120、1DI300Z-120和1DI300M-120是很好的选择对象，A、Z、M3种系列的BJT的主要区别是h_FE值和使用温度不同。A系列h_FE≥70（25℃）；Z系列h_FE≥100（25℃）；M系列h_FE≥1500（125℃）。