1.5 电力晶体管

电力晶体管GTR（Giant Transistor）是一种电流控制型的全控开关器件。它的基本原理与普通信号晶体管相同，区别在于它能在大的耗散功率或输出功率下工作。目前实际应用中有单管GTR、达林顿晶体管及GTR模块三大系列，GTR广泛用于10kHz开关频率下的功率变换场合。

1.5.1 结构与基本原理

GTR 与信号晶体管有相同的结构、工作原理和工作特性，它们都是三层半导体两个PN结三个输出端的器件。作为电力半导体，GTR大多是NPN型。

图1.14所示是GTR的结构示意图和电路符号。由于工作在较大的功率下，器件必须具有较小的热阻和较强的散热能力。

GTR工作在饱和与截止状态下。GTR的应用电路一般采用共发射极接法。在基极与发射极之间加上正向电压，形成基极电流，这时发射结正偏，集电结反偏，GTR 开通，进入饱和状态。饱和状态的GTR集射极电压非常低，使得发射结与集电结同时处于正偏状态。此时的GTR的集电极电流只取决于电路的阻抗，与基极电流大小无关。

1.5.2 基本特性与安全工作区

GTR在共发射极连接下的特性如下。

1.静态特性

GTR的静态特性与普通信号晶体管相似。在基极电流ib≤0的情况下，在集电极与发射极之间施加正向电压，GTR 工作在阻断状态。在此状态下，仅有极小的漏电流存在，发射结、集电结均反向偏置。

线性区即放大区，当GTR工作在放大状态时，集电结反偏，发射结正偏，此时基极电流可控制集电极电流的大小。此状态下，集、射极电压较高，GTR 本身的耗散功率较大，在应用中应让GTR避免在此状态下运行。

饱和状态下，GTR 的集电结与发射结均正向偏置，此时集、射极电压很低，并基本维持恒定，可见集电极电流仅取决于外部电路的阻抗。

2.二次击穿特性

GTR 在实际应用中常出现器件工作条件并未超过其极限参数，耗散功率也在其允许范围内，但器件却永久性损坏的现象，其主要原因是二次击穿。二次击穿是在一次击穿现象发生后在特定情况下出现的，在这一过程中，集射极电压急剧降低，集电极电流急剧增大，在较短时间内GTR出现局部热斑而损坏。二次击穿是造成GTR损坏的一个重要原因，在使用中，必须保证GTR工作在安全工作区内。

3.安全工作区（SOA）

GTR 能够安全运行的范围称为安全工作区。将不同基极电流下二次击穿的临界点连接起来，就构成二次击穿的临界线。安全工作区如图1.15所示。

1.5.3 基本参数

1.集电极最大电流定额ICM

一般将直流电流放大倍数下降到额定值的 1/2～1/3 时，对应的集电极电流值定义为ICM。应用中禁止IC的值接近ICM。

2.最大额定功耗PCM

GTR在最高允许结温下对应的耗散功率称为最大额定功耗，它是在室温25℃时测定的。散热条件越好，在给定范围内允许的功耗越高。

3.反向击穿电压UCBO、UCEO

集电极与基极之间的反向击穿电压 UCBO：当发射极开路时，集—基极间能承受的最高电压。

集电极与发射极之间的反向击穿电压 UCEO：当基极开路时，集—射极间能承受的最高电压。

4.最高结温TJM

GTR 的最高结温是指在正常工作时不损坏器件所允许的最高结温。一般取决于器件的半导体材料、制造工艺、封装方式及其可靠性要求等。为充分发挥器件的效率，GTR使用时应采用合适的散热器。

1.5.4 功率晶体管的驱动

GTR的驱动电路应提供GTR开通和关断所需的正、反向基极电流；为保证快速开通，开通电流应具有高的上升率；为减小基极功耗，GTR 完全导通后基极电流应减小，但又必须维持器件的饱和导通；增大反向基极电流可减小关断时间，但同时会减小反偏工作安全区，应取折中值。为提高GTR的关断时间，应使器件工作在临界饱和状态，因此在驱动电路中应采用抗饱和措施。可在GTR的基极与集电极之间接入正向二极管，只要集电极电压低于基极电压，二极管就导通，防止GTR过于饱和。

1.5.5 达林顿晶体管

达林顿晶体管由两个或两个以上的晶体管复合而成，其结构如图 1.16 所示，达林顿管的极性由驱动管的极性决定。其电路符号与GTR无区别，图中有的达林顿管基—射极并联电阻，目的是提高器件的耐压值及温度稳定性。

达林顿晶体管的组成结构中一般只有一个晶体管是功率晶体管，其他的都是驱动管。达林顿的复合结构使得它有较一般 GTR 高得多的电流增益，其驱动电流和功耗较小，这是它的主要优点。然而复合结构使得它的开关速度降低，提高了它的饱和压降。