电力双极型晶体管(GTR)详解

　　电力双极型晶体管(GTR)是一种耐高压、能承受大电流的双极晶体管，也称为BJT，简称为电力晶体管。它与晶闸管不同，具有线性放大特性，但在电力电子应用中却工作在开关状态，从而减小功耗。GTR可通过基极控制其开通和关断，是典型的自关断器件。

一、电力晶体管的结构和工作原理　

　电力晶体管有与一般双极型晶体管相似的结构、工作原理和特性。它们都是3层半导体，2个PN结的三端器件，有PNP和NPN这2种类型，但GTR多采用NPN型。GTR的结构、电气符号和基本工作原理，如图1所示。

　　

　　在应用中，GTR一般采用共发射极接法，如图1(c)所示。集电极电流i c与基极电流i b的比值为　　β=i c/i b (1)　　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，　　i c=βi b+I c e o (2)

二、GTR的类型　　

目前常用的GTR的单管、达林顿管和模块这3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。{{分页}}2、 达林顿GTR　　达林顿结构的GTR是由2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，它与普通复合三极管相似。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，同时降低了管子的工作速度。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1个元件组装成1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、工作的可靠性和性能/价格比，同时也实现了小型轻量化。目前生产的GTR模块，可将多达6个相互绝缘的单元电路制在同一个模块内，便于组成三相桥电路。

三、GTR的特性1、 静态特性

　

 

 

 

 

 

 

 

　静态特性可分为输入特性和输出特性。输入特性与二极管的伏安特性相似，在此仅介绍其共射极电路的输出特性。GTR共射极电路的输出特性曲线，如图2所示。由图明显看出，静态特性分为3个区域，即人们所熟悉的截止区、放大区及饱和区。当集电结和发射结处于反偏状态，或集电结处于反偏状态，发射结处于零偏状态时，管子工作在截止区;当发射结处于正偏、集电结处于反偏状态时，管子工作在放大区;当发射和集电结都处于正偏状态时，管子工作在饱和区。GTR在电力电子电路中，需要工作在开关状态，因此它是在饱和和截止区之间交替工作。

 

　　2、 动态特性　　GTR是用基极电流控制集电极电流的，器件开关过程的瞬态变化，就反映出其动态特性。GTR的动态特性曲线，如图3所示。

　　由于管子结电容和储存电荷的存在，开关过程不是瞬时完成的。GTR开通时需要经过延时时间和上升时间，二者之和为开通时间;关断时需要经过储存时间和下降时间，二者之和为关断时间。{{分页}}　　实际应用中，在开通GTR时，加大驱动电流i b和其上升率，可减小td和tr ，但电流也不能太大，否则会由于过饱和而增大t s。在关断GTR时，加反向基极电压可加速存储电荷的消散，减少t s ，但反向电压不能太大，以免使发射结击穿。　　为了提高GTR的开关速度，可选用结电容比较小的快速开关管，还可用加速电容来改善GTR的开关特性。在GTR的基极电阻两端并联一个电容，利用换流瞬间其上电压不能突变的特性，也可改善管子的开关特性。