電力雙極型晶體管(GTR)是一種耐高壓、能承受大電流的雙極晶體管，也稱為BJT，簡稱為電力晶體管。它與晶閘管不同，具有線性放大特性，但在電力電子應(yīng)用中卻工作在開關(guān)狀態(tài)，從而減小功耗。GTR可通過基極控制其開通和關(guān)斷，是典型的自關(guān)斷器件。
一、電力晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理
電力晶體管有與一般雙極型晶體管相似的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性。它們都是3層半導(dǎo)體，2個(gè)PN結(jié)的三端器件，有PNP和NPN這2種類型，但GTR多采用NPN型。GTR的結(jié)構(gòu)、電氣符號和基本工作原理，如圖1所示。
在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法，如圖1(c)所示。集電極電流i c與基極電流i b的比值為 β=i c/i b (1) 式中，β稱為GTR的電流放大系數(shù)，它反映出基極電流對集電極電流的控制能力。單管GTR的電流放大系數(shù)很小，通常為10左右。 在考慮集電極和發(fā)射極之間的漏電流時(shí)， i c=βi b+I c e o (2)
二、GTR的類型
目前常用的GTR的單管、達(dá)林頓管和模塊這3種類型。1、 單管GTR NPN三重?cái)U(kuò)散臺(tái)面型結(jié)構(gòu)是單管GTR的典型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可靠性高，能改善器件的二次擊穿特性，易于提高耐壓能力，并易于散出內(nèi)部熱量。{{分頁}}2、 達(dá)林頓GTR 達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的GTR是由2個(gè)或多個(gè)晶體管復(fù)合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性質(zhì)取決于驅(qū)動(dòng)管，它與普通復(fù)合三極管相似。達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的GTR電流放大倍數(shù)很大，可以達(dá)到幾十至幾千倍。雖然達(dá)林頓結(jié)構(gòu)大大提高了電流放大倍數(shù)，但其飽和管壓降卻增加了，增大了導(dǎo)通損耗，同時(shí)降低了管子的工作速度。3、 GTR模塊 目前作為大功率的開關(guān)應(yīng)用還是GTR模塊，它是將GTR管芯及為了改善性能的1個(gè)元件組裝成1個(gè)單元，然后根據(jù)不同的用途將幾個(gè)單元電路構(gòu)成模塊，集成在同一硅片上。這樣，大大提高了器件的集成度、工作的可靠性和性能/價(jià)格比，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了小型輕量化。目前生產(chǎn)的GTR模塊，可將多達(dá)6個(gè)相互絕緣的單元電路制在同一個(gè)模塊內(nèi)，便于組成三相橋電路。
三、GTR的特性1、 靜態(tài)特性
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靜態(tài)特性可分為輸入特性和輸出特性。輸入特性與二極管的伏安特性相似，在此僅介紹其共射極電路的輸出特性。GTR共射極電路的輸出特性曲線，如圖2所示。由圖明顯看出，靜態(tài)特性分為3個(gè)區(qū)域，即人們所熟悉的截止區(qū)、放大區(qū)及飽和區(qū)。當(dāng)集電結(jié)和發(fā)射結(jié)處于反偏狀態(tài)，或集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，發(fā)射結(jié)處于零偏狀態(tài)時(shí)，管子工作在截止區(qū);當(dāng)發(fā)射結(jié)處于正偏、集電結(jié)處于反偏狀態(tài)時(shí)，管子工作在放大區(qū);當(dāng)發(fā)射和集電結(jié)都處于正偏狀態(tài)時(shí)，管子工作在飽和區(qū)。GTR在電力電子電路中，需要工作在開關(guān)狀態(tài)，因此它是在飽和和截止區(qū)之間交替工作。
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2、 動(dòng)態(tài)特性 GTR是用基極電流控制集電極電流的，器件開關(guān)過程的瞬態(tài)變化，就反映出其動(dòng)態(tài)特性。GTR的動(dòng)態(tài)特性曲線，如圖3所示。
由于管子結(jié)電容和儲(chǔ)存電荷的存在，開關(guān)過程不是瞬時(shí)完成的。GTR開通時(shí)需要經(jīng)過延時(shí)時(shí)間和上升時(shí)間，二者之和為開通時(shí)間;關(guān)斷時(shí)需要經(jīng)過儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間，二者之和為關(guān)斷時(shí)間。{{分頁}} 實(shí)際應(yīng)用中，在開通GTR時(shí)，加大驅(qū)動(dòng)電流i b和其上升率，可減小td和tr ，但電流也不能太大，否則會(huì)由于過飽和而增大t s。在關(guān)斷GTR時(shí)，加反向基極電壓可加速存儲(chǔ)電荷的消散，減少t s ，但反向電壓不能太大，以免使發(fā)射結(jié)擊穿。 為了提高GTR的開關(guān)速度，可選用結(jié)電容比較小的快速開關(guān)管，還可用加速電容來改善GTR的開關(guān)特性。在GTR的基極電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容，利用換流瞬間其上電壓不能突變的特性，也可改善管子的開關(guān)特性。