1.2 电力晶体管
电力晶体管（Giant Transistor，GTR）是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT），所以有时也称为Power BJT；但驱动电路复杂，驱动功率大；GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。GTR是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力，产生于20世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400V/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电动机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的内部结构、图形符号及正向导通电路如图1.13所示。
图1.13 GTR的内部结构、图形符号及正向导通电路
1.2.1 电力晶体管的结构和工作原理
（1）基本结构。电力晶体管简称GTR又称BJT，GTR和BJT这两个名称是等效的，结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。GTR由三层半导体、两个PN结组成。和小功率晶体管一样，有PNP和NPN两种类型，GTR通常多用NPN结构。图1.13（a）是NPN型功率晶体管的内部结构。大多数GTR是用三重扩散法制成的，或者是在集电极高掺杂的硅衬底上用外延生长法生长一层N漂移层，然后在上面扩散P基区，接着扩散掺杂的N+发射区。
在应用中，GTR一般采用共发射极接法，如图1.13（c）所示。集电极电流IC与基极电流IB的比值为
β=IC/IB （1.9）
式中，β称为GTR的电流放大系数，它反映出基极电流对集电极电流的控制能力。单管GTR的电流放大系数很小，通常为10左右。在考虑集电极和发射极之间的漏电流时，
IC=βIB+ICEO （1.10）
一些常见大功率晶体管的外形如图1.14所示。从图1.14可见，大功率晶体管的外形除体积比较大外，其外壳上都有安装孔或安装螺钉，便于将晶体管安装在外加的散热器上。因为对大功率晶体管来讲，单靠外壳散热是远远不够的。例如，50W的硅低频大功率晶体管，如果不加散热器工作，其最大允许耗散功率仅为2～3W。
图1.14 常见大功率晶体管的外形
（2）工作原理。GTR主要工作在开关状态。GTR通常工作在正偏（IB>0）大时，电流导通；反偏（IB<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，它将工作于导通和截止的开关状态。
1.2.2 电力晶体管的类型
目前常用的GTR有单管GTR、达林顿GTR和GTR模块这三种类型。
1.单管GTR
NPN三重扩散台面型结构是单管GTR的典型结构，这种结构可靠性高，能改善器件的二次击穿特性，易于提高耐压能力，并易于散出内部热量。
2.达林顿GTR
达林顿结构的GTR是由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性质取决于驱动管，它与普通复合晶体管相似。达林顿结构的GTR电流放大倍数很大，可以达到几十至几千倍。虽然达林顿结构大大提高了电流放大倍数，但其饱和管压降却增加了，增大了导通损耗，同时降低了晶体管的工作速度。
3.GTR模块
目前作为大功率的开关应用还是GTR模块，它是将GTR管芯及为了改善性能的一个元件组装成一个单元，然后根据不同的用途将几个单元电路构成模块，集成在同一硅片上。这样，大大提高了器件的集成度、工作的可靠性和性价比，同时也实现了小型轻量化。目前生产的GTR模块，可将多达六个相互绝缘的单元电路制作在同一个模块内，便于组成三相桥式电路。
1.2.3 电力晶体管的特性与主要参数
1.GTR的基本特性
（1）静态特性。共发射极接法时，GTR的典型输出特性如图1.15所示，共发射极接法时的典型输出特性分为：截止区、放大区和饱和区三个区域。
截止区（又称阻断区），iB≤0，uBE<0，uBC<0，GTR承受高电压只有漏电流流过。
图1.15 GTR共发射极接法的输出特性
放大区（又称有源区或线性区），iB>0，uBE>0，uBC<0，iC=βiB，iC与iB之间呈线性关系，特性曲线近似平直；对于工作于开关状态的GTR来说，应当尽量避免工作于放大区，否则功耗很大。
饱和区，iB>ICS/β，uBE>0，uBC>0。ICS是集电极饱和电流，其值由外电路决定。两个PN结都为正向偏置是饱和的特征。饱和时，集电极、发射极间的管压降UCES很小，相当于开关接通，这时尽管电流很大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临界饱和，如iC继续增加，则为过饱和。用作开关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降低UCES和减小导通时的损耗。
（2）动态特性。通常用动态特性描述GTR开关过程的瞬态性能，又称开关特性。GTR在实际应用中，通常工作在频繁开关状态。为正确、有效地使用GTR，应了解其开关特性。图1.16所示为GTR开关特性的基极、集电极电流波形。
图1.16 GTR开关过程iB和iC的波形
整个工作过程分为开通过程、导通状态、关断过程、阻断状态四个不同的阶段。
开通过程：GTR的开通过程是从t0时刻起注入基极驱动电流，这时并不能立刻产生集电极电流，过一小段时间后，集电极电流开始上升，逐渐增至饱和电流值为Ics。延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。td主要是由基极与发射极间结电容充电产生的，tr是由于基区电荷存储需要一定的时间。增大IB1的幅值并增大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。
关断过程：要关断GTR，通常给基极加一个负的脉冲电流。但集电极电流并不能立即减小，而要经过一段时间才能开始减小，再逐渐降为零。储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff。ts是用来除去饱和导通时存储在基区的载流子的时间，是关断时间的主要部分，tf是基极与发射极间结电容放电而产生的。
GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和可关断晶闸管都短很多。GTR在关断时漏电流很小，导通时饱和管压降很小。因此，GTR在导通和关断状态下损耗都很小，但在关断和导通的转换过程中，电流和电压都较大，所以开关过程中损耗也较大。当开关频率较高时，开关损耗是总损耗的主要部分。因此，缩短开通和关断时间对降低损耗、提高效率和运行可靠性很有意义。
2.GTR的主要参数
这里主要介绍GTR的极限参数，即最高工作电压、最大工作电流、最大耗散功率和最高工作结温等。
（1）最高工作电压。GTR上所施加的电压超过规定值时，就会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。
U（BR）CBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。
U（BR）CEO：基极开路时，集电极和发射极之间的击穿电压。
U（BR）CER：实际电路中，GTR的发射极和基极之间常接有电阻器R，这时用U（BR）CER表示集电极和发射极之间的击穿电压。
U（BR）CES：当R为0，即发射极和基极短路时，用U（BR）CES表示其击穿电压。
U（BR）CEX：发射结反向偏置时，集电极和发射极之间的击穿电压。其中，U（BR）CBO>U（BR）CEX>U（BR）CES>U（BR）CER>U（BR）CEO，实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比U（BR）CEO低得多。
（2）集电极最大允许电流ICM。通常规定为hFE下降到规定值的1/2～1/3时所对应的IC。GTR流过的电流过大，会使GTR参数劣化，性能将变得不稳定，尤其是发射极的集边效应可能导致GTR损坏。注意：实际使用时要留有裕量，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在最高工作温度下允许的耗散功率。它是GTR容量的重要标志。晶体管功耗的大小主要由集电极工作电压和工作电流的乘积来决定，它将转化为热能使晶体管升温，晶体管会因温度过高而损坏。实际使用时，集电极允许耗散功率和散热条件与工作环境温度有关。所以，在使用中应特别注意其值不能过大，散热条件要好。
（4）最高工作结温TjM。GTR正常工作允许的最高结温。GTR工作结温过高时，会导致热击穿而烧坏。产品说明书中给出PCM的同时，给出了壳温TC，间接表示了最高工作温度。
1.2.4 电力晶体管的识别与检测
1.用万用表识别GTR的电极和类型
假若不知道GTR的引脚排列，则可用万用表测量电阻的方法进行识别。
（1）判定基极。大功率晶体管的漏电流一般都比较大，所以用万用表来测量其极间电阻时，应采用满度电流比较大的低电阻挡为宜。
测量时将万用表置于R×1挡或R×10挡，一表笔固定接在GTR的任一电极，用另一表笔分别接触其他两个电极，如果万用表读数均为小阻值或均为大阻值，则固定接触的那个电极即为基极。如果按上述方法做一次测试判定不了基极，则可换一个电极再试，最多三次即可做出判定。
（2）判别类型。确定基极之后，设接基极的是黑表笔，而用红表笔分别接触另外两个电极时，如果阻值均较小，则该管为NPN型。如果接基极的是红表笔，用黑表笔分别接触其余两个电极时测出的阻值均较小，则该管为PNP型。
（3）判定集电极和发射极。在确定基极之后，再通过测量基极对另外两个电极之间的阻值大小比较，可以判别发射极和集电极。对于PNP型晶体管，红表笔固定接基极，黑表笔分别接触另外两个电极时测出两个大小不等的阻值，以阻值较小的接法为准，黑表笔所接的是发射极。而对于NPN型晶体管，黑表笔固定接基极，用红表笔分别接触另外两个电极进行测量，以阻值较小的这次测量为准，红表笔所接的是发射极。
2.GTR性能检测
（1）通过测量极间电阻判断GTR的好坏。将万用表置于R×1k挡或R×10挡，测量GTR三个极间的正反向电阻便可以判断GTR性能好坏。
（2）检测GTR放大能力的简单方法。测试电路如图1.17所示。
图1.17 检测GTR放大能力
将万用表置于R×1k挡，并准备好一只500Ω～1kΩ之间的小功率电阻器Rb。测试时先不接电阻器，即在基极为开路的情况下测量集电极和发射极之间的电阻，此时万用表指针应在无穷大或接近无穷大的位置（锗管的阻值稍小一些）。如果此时阻值很小甚至接近于零，说明被测大功率晶体管穿透电流太大或已击穿损坏，应将其剔除。然后将电阻器接在被测管的基极和集电极之间，此时万用表指针将向右偏转，偏转角度越大，说明被测管的放大能力越强。
将接电阻器与不接电阻器时进行比较，万用表指针偏转大小差不多，则说明被测管的放大能力很弱，甚至无放大能力，这样的GTR不能使用。