2.4
电力晶体管

电力晶体管（Giant Transistor，GTR）是一种耐高压、大电流双极结型全控型电力电子器件，又称为双极型功率晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）。该器件最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好。其额定值已达1 800 V/800 A/2 kHz、1 400 V/600 A/5 kHz、600 V/3 A/100 kHz。GTR的实物模型如图2.19所示，GTR广泛应用于电源、电机控制、通用逆变器等电路中。

2.4.1 GTR结构

GTR是由三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个PN结（集电结和发射结）构成，和小功率三极管一样，有PNP和NPN两种类型，如图2.20所示为GTR的基本结构及电气图形符号，图中“＋”表示高掺杂浓度。GTR通常采用NPN结构。

2.4.2 GTR工作原理

GTR的集电极和发射极施加正向电压后，基极正偏（ i _b ＞ 0）时处于导通状态；反偏（ i _b ≤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，它将工作于导通或截止的开关状态。

在应用中，GTR一般采用共发射极接法。如图2.21所示，集电极电流 i _c 与基极电流 i _b 之比为

其中， β 称为GTR的电流放大系数，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑集电极和发射极间的漏电流 I _ceo 时， i _c 和 i _b 的关系为

单管GTR的 β 值一般小于10，通常采用两个晶体管组成的达林顿接法来有效地增大电流增益，如图2.22所示。达林顿GTR的特点是电流增益高，导通时管压降较高，关断时间较长。

2.4.3 GTR基本特性

（1）静态特性

在共发射极接法时，GTR的典型输出特性分为截止区、放大区和饱和区3个区域，如图2.23所示。GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区。但在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，一般要经过放大区。

（2）动态特性

1）开通过程

如图2.24所示，其中， t _d 表示延迟时间，主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的； t _r 表示上升时间。 t _d 与 t _r 两者之和为开通时间 t _on ，一般开通时间为微秒数量级。增大基极驱动电流 i _b 的幅值并增大d i _b /d t ，可以缩短 t _d ，同时也可以缩短 t _r ，从而加快开通速度。

2）关断过程

在图2.24中， t _s 表示储存时间，是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的； t _f 表示下降时间。 t _s 与 t _f 两者之和为关断时间 t _off ，而 t _s 是 t _off 的主要部分，关断时间的数值在微秒数量级。减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流 I _b2 的幅值和负偏压，可以缩短 t _s ，从而加快关断速度。

由于GTR在导通和关断过程中都要经过放大区，而放大区的功耗很大，因此，应尽可能缩短开关时间，减少开关损耗。

2.4.4 GTR主要参数

（1）电压参数

电压参数体现了GTR的耐压能力。该电压超过一定值时，就会发生击穿。击穿电压符合以下关系：

其中， BU _cbo 表示当发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压； BU _cex 表示发射极反向偏置时集电极和发射极间的击穿电压。 BU _cer 和 BU _ces 分别表示当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； BU _ceo 表示当基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。

实际使用GTR时，为了确保安全，最高工作电压 U _TM 要比 BU _ceo 低得多，即

（2）直流电流增益 h _FE

直流电流增益表示GTR的电流放大能力，为直流工作时集电极电流和基极电流之比，即 h F _E ＝ 。一般可认为 h _FE ≈ β ，单管GTR的 h _FE 值较小，可采用达林顿接法扩大 h _FE 范围。

（3）集电极最大允许电流 I _cM

集电极最大允许电流是指规定直流电流放大系数 h _FE 下降到额定值1/3～1/2时所对应的 I _c 。实际使用时要留有较大裕量，只能用到 I _cM 的一半或稍多一点。

（4）集电极最大耗散功率 P _cM

集电极最大耗散功率是指在最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书中在给出 P _cM 时总是同时给出壳温 T _C ，间接表示了最高工作温度。部分国产GTR元件的主要参数见表2.4。

2.4.5 击穿和安全工作区

（1）一次击穿

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，称为一次击穿。

（2）二次击穿

发现一次击穿发生时如不有效地限制电流， I _c 增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的陡然下降，这种现象称为二次击穿。

（3）安全工作区

将不同基极电流下二次击穿的临界点连接起来，就构成了二次击穿临界线，临界线上的点反映了二次击穿功率 P _SB 。GTR工作时不能超过最高电压 U _ceM 、集电极最大电流 I _cM 和最大耗散功率 P _cM ，也不能超过二次击穿临界线，这就是安全工作区（Safe Operating Area，SOA），如图2.25所示的阴影部分。