电力晶体管：原理、应用与发展趋势

电力晶体管（Giant Transistor，GTR，直译为巨型晶体管），是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）。20 世纪80 年代以来，电力晶体管在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT 和电力MOSFET 取代。

（1）GTR 的结构和工作原理

GTR 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的，主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。GTR 通常采用至少由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。GTR 是由三层半导体材料、两个PN 结组成的三端器件，三个极分别为基极、集电极和发射极。GTR 有PNP 和NPN 两种结构，使用较多的是NPN 型GTR。如图1.22 所示给出了NPN 型GTR 的结构和电气符号。

在应用中，GTR 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

式中，β 为GTR 的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力。单管GTR 的电流放大系数比小功率的晶体管小得多，通常为10 左右。

当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic 和ib 的关系为

图1.22　NPN 型GTR 的结构和电气符号

图1.23　共发射极接法时GTR 的输出特性

（2）GTR 的基本特性

GTR 的基本特性主要指共射极接法时的输出特性，如图1.23 所示，可分为截止区、放大区和饱和区。在电力电子电路中，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，要经过放大区。(www.xing528.com)

在基极电流小于一定值时GTR 截止，对应开关的关状态，在基极电流大于一定值时GTR饱和导通，对应开关的开状态。工作于饱和区时，集电极和发射极之间的电压降UCE很小。在基极电流为零时，GTR 只有很小的漏电流，此时集电极电压超过规定值时会被击穿，但只要集电极电流Ic 不超过耗散功率的允许值，GTR 一般不会损坏，工作特性也不变，这称为一次击穿。若在发生一次击穿发生后Ic 增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随的UCE陡然下降，常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变，这称为二次击穿。

（3）GTR 的主要参数

GTR 的额定参数是指允许施加于其上的额定电压、额定电流、耗散功率及结温极限等参数。这些参数的大小由GTR 的材料、内部结构方式、设计水平以及制造工艺等因素决定，使用中决不可超越这些参数，否则会造成器件的损坏。

1）最高工作电压额定值

最高工作电压额定值是指最高集电极电压额定值，用UCEO表示。若GTR 上所加的电压超过该值时，就会发生击穿。该电压参数会在晶体管产品手册中给出，但不能仅以此作为晶体管实际工作时的工作电压上限。为了防止器件在使用过程中因电压超过限制值而损坏，还需考虑留有安全裕量（2～3 倍实际电压最大值）及设置过电压保护措施，以确保安全工作。

2）最大工作电流额定值

最大工作电流额定值是指允许流过集电极的最大电流值，用ICM表示。为了提高GTR 的输出功率，集电极输出电流要尽可能大。集电极电流大，则要求基极注入电流大，会使GTR的电气性能变差，甚至损坏器件。因此必须规定集电极电流的最大额定值，为了确保使用的稳定与安全，实际应用中通常只用到ICM的1/3～1/2。

3）最高结温额定值

GTR 的最高结温是由其半导体材料性质以及封装结构等因素决定的。通常，塑料封装的硅管结温为125～150 ℃，金属封装的硅管结温为150～175 ℃。

4）最高功耗额定值

最高功耗额定值是指GTR 在最高允许结温时所消耗的功率，其大小为集电极工作电压和集电极电流的乘积。这部分功率全部消耗在GTR 管上并以热的形式呈现出来。为此，GTR散热装置及散热条件在其使用中须高度重视，若处理不当，器件会因温度过高而损坏。

表1.4 给出了日本三菱公司生产的QM600HA-2H 型GTR 的额定参数。

表1.4　QM600HA-2H 型GTR 的额定参数