1.5 功率晶體管（GTR）

功率晶體管又稱為電力晶體管（GTR），是一種耐高壓、大電流的雙極結型晶體管。GTR的電氣符號與普通晶體管相同，它具有自關斷能力，控制方便。自20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前大多又被IGBT和功率MOSPET取代。1.5.1GTR的結構與基本工作特性

從工作原理和基本特性上看，GTR與普通晶體管并無本質上的差別，但它們在工作特性的側重面上有較大的差別。對于普通晶體管，重要特性參數是電流放大倍數、線性度、頻率響應、噪聲和溫漂等；對于大功率晶體管，重要特性參數是擊穿電壓、最大允許功耗和開關速度等。為了承受高壓大電流，大功率晶體管不僅尺寸要隨容量的增加而加大，其內部結構、外形也需做相應的變化。通常采用至少內兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構，采用集成電路工藝將許多這種單元并聯而成，分為NPN和PNP兩種結構。其中一般為NPN結構，因為PNP結構耐壓低。GTR的結構與符號如圖121所示。

圖121 GTR結構與符號

（a）PNP結構；（b）PNP符號；（c）NPN結構；（d）NPN符號

在應用中，GTB一般采用共發射極接法。集電極電流i_C與基極電流i_B之比為

β=iiCB

（1 13）

式中，β稱為電流放大系數，它反映了基極電流對集電極電流的控制能力。當考慮集電極和發射極間的漏電流I_CEO時，i_C與i_B的關系為

i_C=βi_B+I_CEO

（1 14）

1.5.2GTR的基本特性與主要參數

1.5.2.1 GTR的靜態工作特性

GTR一般采用共發射極接法，在電力電子電路中應用時有兩種穩定工作狀態：斷態和通態，即利用其開關特性。如圖1 22所示，GTR的穩定工作區可分為截止區、有源區和飽和區。

圖122 GTR靜態工作特性

（a）GTR共射接法；（b）共射接法輸出特性

（1）截止區。截止區又稱為阻斷區。截止區的i_B=0，開關處于斷態（i_C≈0），GTR承受高電壓而僅有極小的漏電流存在；集電結反偏（u_BC＜0），發射結反偏或零偏置（u_BE≤0）。

（2）有源區。有源區又稱為放大區或線性區。有源區中i_C與i_B之間呈線性關系，特性曲線近似乎平直，集電結反偏（u_BC＜0），發射結正偏（u_BE＞0）。在電力電子電路中應用時，應當盡量避免工作于有源區，否則功耗很大，要快速通過有源區，實現截止與飽和之間的狀態轉換。

（3）飽和區。飽和區域GTR處于飽和導通狀態，當i_B變化時，i_C不再隨之變化。導

通電壓和電流益均很小，此時有u_BC≥0，u_BE＞0。

（4）準飽和區。準飽和區域指有源區與飽和區之間的一段區域，即特性曲線明顯彎曲的部分。隨i_B增加，電流增益開始下降，i_C與i_B之間不再呈線性關系，此時有u_BC＜0，u_BE＞0。

（5）失控區。當u_CE超過一定值時，i_C會急劇上升，出現非線性，晶體管進入失控區，u_CE再進一步增加，會導致雪崩擊穿。圖122中U_CEO為基極開路時集射極之間的擊穿電壓。U_CES為基極和發射極短接時集射極之間的擊穿電壓，U_CEX為發射極反偏時集射極之間的擊穿電壓，U_CBO為發射極開路時集電極與基極之間的擊穿電壓。

1.5.2.2 GTR的動態工作特性

在電力電子電路中應用時，GTR主要工作在截止區及飽和區，切換過程中快速通過放大區，這個開關過程即反映了GTR的動態工作特性。

1.開通過程

GTR是采用基極電流來控制集電極電流的，圖123所示為GTR開關過程小基極電流和集電極電流的關系。GTR開通需經過延遲時間t_d和上升時間t_r，兩者之和為開通時間t。t_d主要是由發射結勢壘電容和集電結勢壘電容充電產生的，增大I_B1的幅值并增大的di_B/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程。

圖123 GTR的開通和關斷過程電流波形

2.關斷過程

GTR的關斷過程包括儲存時間t_s和下降時間t_r，兩者之和為關斷時間t_off。t_B是用來除去飽和導通時儲存在基區的載流子的，是關斷時間的主要部分。減小導通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負電流I_B2的幅值和負偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關斷速度。減小導通時的飽和深度的負面作用是會使集電極和發射極間的飽和導通壓降U_CES增加，從而增大通態損耗。GTR的開關時間一般在幾微秒以內。

1.5.2.3 GTR的主要參數

GTR的主要參數除了在模擬電子技術中已經熟悉的電流放大倍數β、直流電流增益h_FE、集射極間漏電流、集射極間飽和壓降等，以及上面介紹的開通時間和關斷時間之外，還有如下參數。

1.最高工作電壓U_CEM

GTR電壓超過規定值時會發生擊穿，擊穿電壓跟晶體管本身特性和外電路接法有關。U_CEM比U_CEO（基極開路時集射極間的擊穿電壓）低得多。

2.集電極最大允許電流I_CM

電流放大倍數h_FE降到規定值的1/2～1/3時所對應的I_C為集電極最大允許電流。實際使用時要留有裕量，一般只能用到I_CM的一半或稍多一點。

3.集電極最大耗散功率P_CM

集電極最大耗散功率是指在最高工作溫度下允許的耗散功率，它等于集電極工作電壓與集電極工作電流的乘積。工作溫度每增加20℃，平均壽命大約下降一個數量級，有時會因溫度過高而使GTR迅速損壞。實踐表明，工作溫度每增加20°，平均壽命大約下降一個數量級，有時會因溫度過高而使GTR迅速損壞。產品說明書中在給出P_cm的同時給出了殼溫T_c，間接地表示最高工作溫度。

4.最高結溫T_JM

GTR的最高結溫與半導體材料的性質、器件制造工藝和封裝質量有關。一般情況下，

塑封硅管的T_JM為125～150℃，金封硅管的T_JM為150～170℃，高可靠平面管的T_JM為

170～200℃。

1.5.3 GTR的驅動電路

GTR基極驅動電路的作用是將控制電路輸出的控制信號放大到足以保證GTR可靠導通和關斷的程度。圖124所示為采用分立元件組成的GTR的一種驅動電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。當光耦無輸入信號時，+V_CC通過R₁驅動，使V₁導通，V₂關斷，+V_CC通過V₁和基極電阻R_b驅動V導通，當光耦有輸入信號時V₂導通，關

斷，V關斷。

圖124 GTR的一種驅動電路

1.5.4GTR的二次擊穿現象與安全工作區

1.5.4.1 GTR的二次擊穿現象

當GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，I_C迅速增大，這種擊穿首先出現的是雪崩擊穿，又稱為一次擊穿。在實際應用中常常發現當一次擊穿發生時，I_C增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降，這種現象稱為二次擊穿。二次擊穿是GTR特有的現象，持續時間很短，常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，對GTR危害極大，必須避免。

1.5.4.2 GTR的安全工作區

對于GTR而言，把不同基極電流下二次擊穿的臨界點連接起來，構成一條二次擊穿臨界線，臨界線上各點反映了二次擊穿功率P_SB。為了保證GTR正常工作，GTR最大工作電流不能超過集電極的I_CM，最大耗散功率不能超過集電極允許的P_CM，工作電壓不能超過最高電壓U_CEM，同時也不能超過二次擊穿臨界線。這些限制條件構成了GTR的安全工作區。如圖125所示。

圖125 GTR安全工作區

電力電子器件都有安全工作區，其他電力電子器件一般沒有二次擊穿現象。安全工作區通常由最大工作電流、最大耗散功率、最高工作電壓構成。電力電子器件實際應用時必須工作于安全工作區的范圍內，以免損壞。