半導體器件：電力晶體管是什么？特點原理分析-KIA MOS管

電力晶體管

電力晶體管按英文Giant Transistor——GTR，是一種耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（Bipolar Junction Transistor—BJT），所以有時也稱為Power BJT；但其驅動電路復雜，驅動功率大；GTR和普通雙極結型晶體管的工作原理是一樣的。

GTR是一種電流控制的雙極雙結大功率、高反壓電力電子器件，具有自關斷能力,產生于上個世紀70年代，其額定值已達1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。

它既具備晶體管飽和壓降低、開關時間短和安全工作區寬等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、開關損耗小、開關時間短，在電源、電機控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應用廣泛。

GTR的缺點是驅動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。在開關電源和UPS內，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的符號,和普通的NPN晶體管一樣。

電力晶體管結構

電力晶體管(Giant Transistor)簡稱GTR又稱BJT（Bipolar Junction Transistor），GTR和BJT這兩個名稱是等效的，結構和工作原理都和小功率晶體管非常相似。

GTR由三層半導體、兩個PN結組成。和小功率三極管一樣，有PNP和NPN兩種類型，GTR通常多用NPN結構。

工作原理

在電力電子技術中，GTR主要工作在開關狀態。GTR通常工作在正偏(Ib>0)時大電流導通；反偏(Ib<0=時處于截止狀態。因此，給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅動信號，它將工作于導通和截止的開關狀態。

特點

1.輸出電壓

可以采用脈寬調制方式，故輸出電壓為幅值等于直流電壓的強脈沖序列。

2.載波頻率

由于電力晶體管的開通和關斷時間較長，故允許的載波頻率較低，大部分變頻器的上限載波頻率約為1.2～1.5kHz左右。

3.電流波形

因為載波頻率較低，故電流的高次諧波成分較大。這些高次諧波電流將在硅鋼片中形成渦流，并使硅鋼片相互間因產生電磁力而振動，并產生噪音。又因為載波頻率處于人耳對聲音較為敏感的區域，故電動機的電磁噪音較強。

4.輸出轉矩

因為電流中高次諧波的成分較大，故在50Hz時，電動機軸上的輸出轉矩與工頻運行時相比，略有減小。

基本特性

(1)靜態特性

共發射極接法時可分為三個工作區：

① 截止區。在截止區內，iB≤0，uBE≤0，uBC<0，集電極只有漏電流流過。

② 放大區。iB >0，uBE>0，uBC<0，iC =βiB。

③ 飽和區。iB >Ics/β，uBE>0，uBC>0，iCS是集電極飽和電流，其值由外電路決定。

結論：兩個PN結都為正向偏置是飽和的特征。飽和時，集電極、發射極間的管壓降uCE很小，相當于開關接通，這時盡管電流很大，但損耗并不大。

GTR剛進入飽和時為臨界飽和，如iB繼續增加，則為過飽和，用作開關時，應工作在深度飽和狀態，這有利于降低uCE和減小導通時的損耗。

(2)動態特性

GTR共發射極接法的輸出特性

圖1GTR開關特性

GTR在關斷時漏電流很小，導通時飽和壓降很小。因此，GTR在導通和關斷狀態下損耗都很小，但在關斷和導通的轉換過程中，電流和電壓都較大，所以開關過程中損耗也較大。

當開關頻率較高時，開關損耗是總損耗的主要部分。因此，縮短開通和關斷時間對降低損耗、提高效率和提高運行可靠性很有意義。

主要參數

(1)最高工作電壓

(2)集電極最大允許電流ICM

(3)集電極最大允許耗散功率PCM

(4)最高工作結溫TJM

二次擊穿和安全工作區

(1)二次擊穿

二次擊穿是影響GTR安全可靠工作的一個重要因素。當GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，這種首先出現的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。

出現一次擊穿后，只要Ic不超過與最大運行耗散功率相對應的限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不會有什么變化。

但是實際應用中常常發現一次擊穿發生時如不有效地限制電流，Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的突然下降，這種現象稱為二次擊穿。

防止二次擊穿的辦法是：①應使實際使用的工作電壓比反向擊穿電壓低得多。②必須有電壓電流緩沖保護措施。

(2)安全工作區

圖2 GTR安全工作區

以直流極限參數ICM、PCM、UCEM構成的工作區為一次擊穿工作區，以USB (二次擊穿電壓)與ISB (二次擊穿電流)組成的PSB (二次擊穿功率)是一個不等功率曲線。

為了防止二次擊穿，要選用足夠大功率的GTR，實際使用的最高電壓通常比GTR的極限電壓低很多。

圖3 GTR基極驅動電流波形

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