电力晶体管（GTR）

电力晶体管（GTR）

术语用法：
电力晶体管（Giant Transistor—GTR，直译为巨型晶体管）
耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor—BJT），英文有时候也称为Power BJT在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和功率MOSFET取代

1. GTR的结构和工作原理
基本原理与普通的双极结型晶体管是一样的主要特性是耐压高、电流大、开关特性好通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成分为NPN和PNP两种结构，一般为NPN结构，PNP结构耐压低，

2. GTR的基本特性
（1）静态特性
共发射极接法时的典型输出特性分为：截止区、有源区（放大区）和饱和区
电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区。在截止区和饱和区之间过渡时，要经过有源区
UCEO为基极开路时集、射极之间的击穿电压；UCES为基极和发射极短接时集、射极之间的击穿电压；UCEX为发射极反偏时集、射极之间的击穿电压；UCBO为发射极开路时集电极与基极之间的击穿电压

（a）GTR共射接法（b）共射接法输出特性

（a）截止区（又称阻断区）
iB＝0，开关处于断态
GTR承受高电压而仅有极小的漏电流存在
集电结反偏UBC<0，发射结反偏UBE<0 ；或集电结反偏UBC<0 ，发射结偏压为零UBE=0
（b）有源区（又称放大区或线性区）
iC与iB之间呈线性关系，特性曲线近似平直
UBC<0， UBE>0
对于工作于开关状态的GTR来说，应当尽量避免工作于有源区，否则功耗很大，要快速通过有源区，实现截止与饱和之间的状态转换。
（c）饱和区
开关处于通态，iB变化时，iC不再随之变化
导通电压和电流增益均很小
UBC>0， UBE>0
（d）准饱和区
指有源区与饱和区之间的一段区域，即特性曲线明显弯曲的部分
iC与iB之间不再呈线性关系，UBC<0， UBE>0
（e）失控区
当UCE 超过一定值时，晶体管进入失控区，会导致雪崩击穿。
UCEO：基极开路，对应的反向击穿电压；
UCEs ：基极和发射极短路所对应的电压；
UCEx : 基极负偏所对应的电压。
（2）动态特性             
开通过程
延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间tontd主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。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

GTR的开通和关断过程电流波形

关断过程
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储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分
减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流IB2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度
减小导通时的饱和深度的负面作用是会使集电极和发射极
      间的饱和导通压降UCES增加，从而增大通态损耗
GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多
3. GTR的主要参数
       电流放大倍数 、直流电流增益hFE（一般可认为hFE ）、集射极间漏电流ICEO、集射极间饱和压降UCES、开通时间ton和关断时间toff  ;  之外有：
1）最高工作电压UCEM 
GTR上电压超过规定值时会发生击穿
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如图所示，有UCBO> UCEX> UCES> UCEO，实际使用时，为
       确保安全，最高工作电压要比UCEO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
最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PCM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度
4. GTR的二次击穿现象与安全工作区

一次击穿
集电极电压升高至击穿电压时，IC迅速增大，出现雪崩击穿
特点：在IC增大过程中，集电结电压基本不变，只要IC不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变；

二次击穿
一次击穿发生时IC增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随集电极电压的陡然下降，即出现了负阻效应，这种现象称为二次击穿。
二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立即导致器件的永久损坏，必需避免。
安全工作区（Safe Operating Area——SOA）最高电压UCEM、集电极最大电流ICM、最大耗散功率PCM、
二次击穿临界线PSB
限定（GTR特有）
电力电子器件都有安全
     工作区，通常由最大工作电流、最大耗散功率、最高工作电压构成。实际应用时器件必须工作于安全工作区的范围内，以免损坏。