1.5 功率晶体管（GTR）
功率晶体管又称为电力晶体管（GTR），是一种耐高压、大电流的双极结型晶体管。GTR的电气符号与普通晶体管相同，它具有自关断能力，控制方便。自20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前大多又被IGBT和功率MOSPET取代。1.5.1GTR的结构与基本工作特性
从工作原理和基本特性上看，GTR与普通晶体管并无本质上的差别，但它们在工作特性的侧重面上有较大的差别。对于普通晶体管，重要特性参数是电流放大倍数、线性度、频率响应、噪声和温漂等；对于大功率晶体管，重要特性参数是击穿电压、最大允许功耗和开关速度等。为了承受高压大电流，大功率晶体管不仅尺寸要随容量的增加而加大，其内部结构、外形也需做相应的变化。通常采用至少内两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成，分为NPN和PNP两种结构。其中一般为NPN结构，因为PNP结构耐压低。GTR的结构与符号如图121所示。
图121 GTR结构与符号
（a）PNP结构；（b）PNP符号；（c）NPN结构；（d）NPN符号
在应用中，GTB一般采用共发射极接法。集电极电流iC与基极电流iB之比为
β=iiCB
（1 13）
式中，β称为电流放大系数，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ICEO时，iC与iB的关系为
iC=βiB+ICEO
（1 14）
1.5.2GTR的基本特性与主要参数
1.5.2.1 GTR的静态工作特性
GTR一般采用共发射极接法，在电力电子电路中应用时有两种稳定工作状态：断态和通态，即利用其开关特性。如图1 22所示，GTR的稳定工作区可分为截止区、有源区和饱和区。
图122 GTR静态工作特性
（a）GTR共射接法；（b）共射接法输出特性
（1）截止区。截止区又称为阻断区。截止区的iB=0，开关处于断态（iC≈0），GTR承受高电压而仅有极小的漏电流存在；集电结反偏（uBC＜0），发射结反偏或零偏置（uBE≤0）。
（2）有源区。有源区又称为放大区或线性区。有源区中iC与iB之间呈线性关系，特性曲线近似乎平直，集电结反偏（uBC＜0），发射结正偏（uBE＞0）。在电力电子电路中应用时，应当尽量避免工作于有源区，否则功耗很大，要快速通过有源区，实现截止与饱和之间的状态转换。
（3）饱和区。饱和区域GTR处于饱和导通状态，当iB变化时，iC不再随之变化。导
通电压和电流益均很小，此时有uBC≥0，uBE＞0。
（4）准饱和区。准饱和区域指有源区与饱和区之间的一段区域，即特性曲线明显弯曲的部分。随iB增加，电流增益开始下降，iC与iB之间不再呈线性关系，此时有uBC＜0，uBE＞0。
（5）失控区。当uCE超过一定值时，iC会急剧上升，出现非线性，晶体管进入失控区，uCE再进一步增加，会导致雪崩击穿。图122中UCEO为基极开路时集射极之间的击穿电压。UCES为基极和发射极短接时集射极之间的击穿电压，UCEX为发射极反偏时集射极之间的击穿电压，UCBO为发射极开路时集电极与基极之间的击穿电压。
1.5.2.2 GTR的动态工作特性
在电力电子电路中应用时，GTR主要工作在截止区及饱和区，切换过程中快速通过放大区，这个开关过程即反映了GTR的动态工作特性。
1.开通过程
GTR是采用基极电流来控制集电极电流的，图123所示为GTR开关过程小基极电流和集电极电流的关系。GTR开通需经过延迟时间td和上升时间tr，两者之和为开通时间t。td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的，增大IB1的幅值并增大的diB/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程。
图123 GTR的开通和关断过程电流波形
2.关断过程
GTR的关断过程包括储存时间ts和下降时间tr，两者之和为关断时间toff。tB是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。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IB2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。减小导通时的饱和深度的负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降UCES增加，从而增大通态损耗。GTR的开关时间一般在几微秒以内。
1.5.2.3 GTR的主要参数
GTR的主要参数除了在模拟电子技术中已经熟悉的电流放大倍数β、直流电流增益hFE、集射极间漏电流、集射极间饱和压降等，以及上面介绍的开通时间和关断时间之外，还有如下参数。
1.最高工作电压UCEM
GTR电压超过规定值时会发生击穿，击穿电压跟晶体管本身特性和外电路接法有关。UCEM比UCEO（基极开路时集射极间的击穿电压）低得多。
2.集电极最大允许电流ICM
电流放大倍数hFE降到规定值的1/2～1/3时所对应的IC为集电极最大允许电流。实际使用时要留有裕量，一般只能用到ICM的一半或稍多一点。
3.集电极最大耗散功率PCM
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，它等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。工作温度每增加20℃，平均寿命大约下降一个数量级，有时会因温度过高而使GTR迅速损坏。实践表明，工作温度每增加20°，平均寿命大约下降一个数量级，有时会因温度过高而使GTR迅速损坏。产品说明书中在给出Pcm的同时给出了壳温Tc，间接地表示最高工作温度。
4.最高结温TJM
GTR的最高结温与半导体材料的性质、器件制造工艺和封装质量有关。一般情况下，
塑封硅管的TJM为125～150℃，金封硅管的TJM为150～170℃，高可靠平面管的TJM为
170～200℃。
1.5.3 GTR的驱动电路
GTR基极驱动电路的作用是将控制电路输出的控制信号放大到足以保证GTR可靠导通和关断的程度。图124所示为采用分立元件组成的GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。当光耦无输入信号时，+VCC通过R1驱动，使V1导通，V2关断，+VCC通过V1和基极电阻Rb驱动V导通，当光耦有输入信号时V2导通，关
断，V关断。
图124 GTR的一种驱动电路
1.5.4GTR的二次击穿现象与安全工作区
1.5.4.1 GTR的二次击穿现象
当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，IC迅速增大，这种击穿首先出现的是雪崩击穿，又称为一次击穿。在实际应用中常常发现当一次击穿发生时，IC增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降，这种现象称为二次击穿。二次击穿是GTR特有的现象，持续时间很短，常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变，对GTR危害极大，必须避免。
1.5.4.2 GTR的安全工作区
对于GTR而言，把不同基极电流下二次击穿的临界点连接起来，构成一条二次击穿临界线，临界线上各点反映了二次击穿功率PSB。为了保证GTR正常工作，GTR最大工作电流不能超过集电极的ICM，最大耗散功率不能超过集电极允许的PCM，工作电压不能超过最高电压UCEM，同时也不能超过二次击穿临界线。这些限制条件构成了GTR的安全工作区。如图125所示。
图125 GTR安全工作区
电力电子器件都有安全工作区，其他电力电子器件一般没有二次击穿现象。安全工作区通常由最大工作电流、最大耗散功率、最高工作电压构成。电力电子器件实际应用时必须工作于安全工作区的范围内，以免损坏。