大功率晶体管

功率晶体管（GTR）具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好、安全工作区宽等优点。但存在二次击穿问题和耐压难以提高的缺点，阻碍它的进一步发展。

—、结构特性

1、结构原理

功率晶体管是双极型大功率器件，又称巨型晶体管或电力勗体管，简称GTR。它从本质上讲仍是晶体管，因而工作原理与一般晶体管相同。但是，由于它主要用在电力电子技术领域，电流容量大，耐压水平高，而且大多工作在开关状态，因此其结构与特性又有许多独特之处。

对GTR的要求主要是有足够的容量、适当的增益、较高的速度和较低的功耗等。由于GTR电流大、功耗大，因此其工作状况出现了新特点、新问题。比如存在基区大注入效应、基区扩展效应和发射极电流集边效应等，使得电流增益下降、特征频率减小，导致局部过热等，为了削弱这种影响，必须在结构上采取适当的措施。目前常用的GTR器件有单管、达林顿管和模块三大系列。

三重扩散台面型NPN结构是单管GTR的典型结构，其结构和符号如图1所示。这种结构的优点是结面积较大，电流分布均匀，易于提高耐压和耗散热量；缺点是电流增益较低，一般约为10~20g。

图1、功率晶体管结构及符号

图2、达林顿GTR结构

(a)NPN-NPN型、(b)PNP-NPNxing

达林顿结构是提高电流增益的一种有效方式。达林顿GTR由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP或NPN型，如图2所示，其中V1为驱动管，可饱和，而V2为输出管，不会饱和。达林顿GTR的电流增益β大大提高，但饱和压降VCES也较高且关断速度较慢。不难推得

IC=ΒIB1.VCES= VCES1+VCES2（其中β≈β1β2）

目前作为大功率开关应用最多的是GTR模块。它是将单个或多个达林顿结构GTR及其辅助元件如稳定电阻、加速二极管及续流二极管等，做在一起构成模块，如图3所示。为便于改善器件的开关过程或并联使用，有些模块的中间基极有引线引出。GTR模块结构紧凑、功能强，因而性能价格比大大提高。

图3、GTR模块的等效电路

2、特性参数

1)输出特性与电流增益

GTR的共射极输出特性如图4所示。可分为四个区，即：阻断区、线性区、准饱和区及深饱和区。用作开关时，应尽量避免工作于线性区，否则功耗很大。进入深饱和区，虽功耗小，但关断时间长且安全工作区变窄.因此一般工作于准饱和区。饱和压降VCES是一重要参数，它越小，GTR的功耗越小。VCES随IC和温度的增加而增大。

图4、共射极电路输出特性

GTR的共射极电流增益β随集电极电流IC和结温Ti变化，如图5所示。可见，大电流时沒下降，限制了 GTR的电流容量。

图5、β~IC关系曲线

2)开关特性

开关过程可分四个阶段：开通过程、导通状态、关断过程、阻断状态。GTR开关过程的电流波形如图6所示。其中，开通时间ton包括延迟时间td和上升时间tc，关断时间toff包括存储时间ts和下降时间ti。一般开关时间越短，工作频率越高。为缩短开通时间，可选结电容小的管子或提高驱动电流的幅值和陡度。为缩短关断时间，可选β小的管子，防止深饱和，增加反偏电流等。

图6、GTR开关过程的电流波形

电压上升率dv/dt和电流上升率di/dt会影响开关过程。为防止过高的dv/dt或di/dt对GTR造成危害，一般应加接缓冲电路。

3)二次击穿与安全工作区

二次击穿是集-射电压突然变低而电流激增的现象。GTR的二次击穿特性如图7所示，包括发射结正偏、开路和反偏三种情况。其中正偏二次击穿对GTR的威胁最大。

图7、GTR的二次击穿特性

安全工作区SOA是指GTR能够安全运行的电流、电压、功耗的极限范围，分为正偏安全工作区和反偏安全工作区，如图8所示。其中正偏安全工作区受最大集电极电流ICM、最大耐压BVCEO、最大允许功耗PCM和二次击穿触发功率PS/B的限制。DC为直流情况，虚线为脉冲情况，反向偏置安全工作区受最大集电极电流、集-射维持电压和二次击穿功率的限制。

图8、正偏安全工作区

4)其他特性参数

主要有集电极电压最大值、发射极电压最大值、集电极电流最大值ICM、基极电流最大值IBM、最大功耗PCM、最高结温TIM等。由干各参数均受温度影响，因此应采取有效散热措施，确保GTR结温不超过规定值。