1.5 電力晶體管

電力晶體管GTR（Giant Transistor）是一種電流控制型的全控開關器件。它的基本原理與普通信號晶體管相同，區別在于它能在大的耗散功率或輸出功率下工作。目前實際應用中有單管GTR、達林頓晶體管及GTR模塊三大系列，GTR廣泛用于10kHz開關頻率下的功率變換場合。

1.5.1 結構與基本原理

GTR 與信號晶體管有相同的結構、工作原理和工作特性，它們都是三層半導體兩個PN結三個輸出端的器件。作為電力半導體，GTR大多是NPN型。

圖1.14所示是GTR的結構示意圖和電路符號。由于工作在較大的功率下，器件必須具有較小的熱阻和較強的散熱能力。

GTR工作在飽和與截止狀態下。GTR的應用電路一般采用共發射極接法。在基極與發射極之間加上正向電壓，形成基極電流，這時發射結正偏，集電結反偏，GTR 開通，進入飽和狀態。飽和狀態的GTR集射極電壓非常低，使得發射結與集電結同時處于正偏狀態。此時的GTR的集電極電流只取決于電路的阻抗，與基極電流大小無關。

1.5.2 基本特性與安全工作區

GTR在共發射極連接下的特性如下。

1.靜態特性

GTR的靜態特性與普通信號晶體管相似。在基極電流ib≤0的情況下，在集電極與發射極之間施加正向電壓，GTR 工作在阻斷狀態。在此狀態下，僅有極小的漏電流存在，發射結、集電結均反向偏置。

線性區即放大區，當GTR工作在放大狀態時，集電結反偏，發射結正偏，此時基極電流可控制集電極電流的大小。此狀態下，集、射極電壓較高，GTR 本身的耗散功率較大，在應用中應讓GTR避免在此狀態下運行。

飽和狀態下，GTR 的集電結與發射結均正向偏置，此時集、射極電壓很低，并基本維持恒定，可見集電極電流僅取決于外部電路的阻抗。

2.二次擊穿特性

GTR 在實際應用中常出現器件工作條件并未超過其極限參數，耗散功率也在其允許范圍內，但器件卻永久性損壞的現象，其主要原因是二次擊穿。二次擊穿是在一次擊穿現象發生后在特定情況下出現的，在這一過程中，集射極電壓急劇降低，集電極電流急劇增大，在較短時間內GTR出現局部熱斑而損壞。二次擊穿是造成GTR損壞的一個重要原因，在使用中，必須保證GTR工作在安全工作區內。

3.安全工作區（SOA）

GTR 能夠安全運行的范圍稱為安全工作區。將不同基極電流下二次擊穿的臨界點連接起來，就構成二次擊穿的臨界線。安全工作區如圖1.15所示。

1.5.3 基本參數

1.集電極最大電流定額ICM

一般將直流電流放大倍數下降到額定值的 1/2～1/3 時，對應的集電極電流值定義為ICM。應用中禁止IC的值接近ICM。

2.最大額定功耗PCM

GTR在最高允許結溫下對應的耗散功率稱為最大額定功耗，它是在室溫25℃時測定的。散熱條件越好，在給定范圍內允許的功耗越高。

3.反向擊穿電壓UCBO、UCEO

集電極與基極之間的反向擊穿電壓 UCBO：當發射極開路時，集—基極間能承受的最高電壓。

集電極與發射極之間的反向擊穿電壓 UCEO：當基極開路時，集—射極間能承受的最高電壓。

4.最高結溫TJM

GTR 的最高結溫是指在正常工作時不損壞器件所允許的最高結溫。一般取決于器件的半導體材料、制造工藝、封裝方式及其可靠性要求等。為充分發揮器件的效率，GTR使用時應采用合適的散熱器。

1.5.4 功率晶體管的驅動

GTR的驅動電路應提供GTR開通和關斷所需的正、反向基極電流；為保證快速開通，開通電流應具有高的上升率；為減小基極功耗，GTR 完全導通后基極電流應減小，但又必須維持器件的飽和導通；增大反向基極電流可減小關斷時間，但同時會減小反偏工作安全區，應取折中值。為提高GTR的關斷時間，應使器件工作在臨界飽和狀態，因此在驅動電路中應采用抗飽和措施。可在GTR的基極與集電極之間接入正向二極管，只要集電極電壓低于基極電壓，二極管就導通，防止GTR過于飽和。

1.5.5 達林頓晶體管

達林頓晶體管由兩個或兩個以上的晶體管復合而成，其結構如圖 1.16 所示，達林頓管的極性由驅動管的極性決定。其電路符號與GTR無區別，圖中有的達林頓管基—射極并聯電阻，目的是提高器件的耐壓值及溫度穩定性。

達林頓晶體管的組成結構中一般只有一個晶體管是功率晶體管，其他的都是驅動管。達林頓的復合結構使得它有較一般 GTR 高得多的電流增益，其驅動電流和功耗較小，這是它的主要優點。然而復合結構使得它的開關速度降低，提高了它的飽和壓降。