大功率晶體管概念

功率晶體管（GTR）具有控制方便、開關(guān)時(shí)間短、通態(tài)壓降低、高頻特性好、安全工作區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)。但存在二次擊穿問題和耐壓難以提高的缺點(diǎn)，阻礙它的進(jìn)一步發(fā)展。

—、結(jié)構(gòu)特性

1、結(jié)構(gòu)原理

功率晶體管是雙極型大功率器件，又稱巨型晶體管或電力勗體管，簡(jiǎn)稱GTR。它從本質(zhì)上講仍是晶體管，因而工作原理與一般晶體管相同。但是，由于它主要用在電力電子技術(shù)領(lǐng)域，電流容量大，耐壓水平高，而且大多工作在開關(guān)狀態(tài)，因此其結(jié)構(gòu)與特性又有許多獨(dú)特之處。

對(duì)GTR的要求主要是有足夠的容量、適當(dāng)?shù)脑鲆?、較高的速度和較低的功耗等。由于GTR電流大、功耗大，因此其工作狀況出現(xiàn)了新特點(diǎn)、新問題。比如存在基區(qū)大注入效應(yīng)、基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)和發(fā)射極電流集邊效應(yīng)等，使得電流增益下降、特征頻率減小，導(dǎo)致局部過熱等，為了削弱這種影響，必須在結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)?shù)拇胧?。目前常用的GTR器件有單管、達(dá)林頓管和模塊三大系列。

三重?cái)U(kuò)散臺(tái)面型NPN結(jié)構(gòu)是單管GTR的典型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)面積較大，電流分布均勻，易于提高耐壓和耗散熱量；缺點(diǎn)是電流增益較低，一般約為10~20g。

圖1、功率晶體管結(jié)構(gòu)及符號(hào)

圖2、達(dá)林頓GTR結(jié)構(gòu)

(a)NPN-NPN型、(b)PNP-NPNxing

達(dá)林頓結(jié)構(gòu)是提高電流增益的一種有效方式。達(dá)林頓GTR由兩個(gè)或多個(gè)晶體管復(fù)合而成，可以是PNP或NPN型，如圖2所示，其中V1為驅(qū)動(dòng)管，可飽和，而V2為輸出管，不會(huì)飽和。達(dá)林頓GTR的電流增益β大大提高，但飽和壓降VCES也較高且關(guān)斷速度較慢。不難推得

IC=ΒIB1.VCES= VCES1+VCES2（其中β≈β1β2）

目前作為大功率開關(guān)應(yīng)用最多的是GTR模塊。它是將單個(gè)或多個(gè)達(dá)林頓結(jié)構(gòu)GTR及其輔助元件如穩(wěn)定電阻、加速二極管及續(xù)流二極管等，做在一起構(gòu)成模塊，如圖3所示。為便于改善器件的開關(guān)過程或并聯(lián)使用，有些模塊的中間基極有引線引出。GTR模塊結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)，因而性能價(jià)格比大大提高。

圖3、GTR模塊的等效電路

2、特性參數(shù)

1)輸出特性與電流增益

GTR的共射極輸出特性如圖4所示。可分為四個(gè)區(qū)，即：阻斷區(qū)、線性區(qū)、準(zhǔn)飽和區(qū)及深飽和區(qū)。用作開關(guān)時(shí)，應(yīng)盡量避免工作于線性區(qū)，否則功耗很大。進(jìn)入深飽和區(qū)，雖功耗小，但關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)且安全工作區(qū)變窄.因此一般工作于準(zhǔn)飽和區(qū)。飽和壓降VCES是一重要參數(shù)，它越小，GTR的功耗越小。VCES隨IC和溫度的增加而增大。

圖4、共射極電路輸出特性

GTR的共射極電流增益β隨集電極電流IC和結(jié)溫Ti變化，如圖5所示。可見，大電流時(shí)沒下降，限制了 GTR的電流容量。

圖5、β~IC關(guān)系曲線

2)開關(guān)特性

開關(guān)過程可分四個(gè)階段：開通過程、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過程、阻斷狀態(tài)。GTR開關(guān)過程的電流波形如圖6所示。其中，開通時(shí)間ton包括延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tc，關(guān)斷時(shí)間toff包括存儲(chǔ)時(shí)間ts和下降時(shí)間ti。一般開關(guān)時(shí)間越短，工作頻率越高。為縮短開通時(shí)間，可選結(jié)電容小的管子或提高驅(qū)動(dòng)電流的幅值和陡度。為縮短關(guān)斷時(shí)間，可選β小的管子，防止深飽和，增加反偏電流等。

圖6、GTR開關(guān)過程的電流波形

電壓上升率dv/dt和電流上升率di/dt會(huì)影響開關(guān)過程。為防止過高的dv/dt或di/dt對(duì)GTR造成危害，一般應(yīng)加接緩沖電路。

3)二次擊穿與安全工作區(qū)

二次擊穿是集-射電壓突然變低而電流激增的現(xiàn)象。GTR的二次擊穿特性如圖7所示，包括發(fā)射結(jié)正偏、開路和反偏三種情況。其中正偏二次擊穿對(duì)GTR的威脅最大。

圖7、GTR的二次擊穿特性

安全工作區(qū)SOA是指GTR能夠安全運(yùn)行的電流、電壓、功耗的極限范圍，分為正偏安全工作區(qū)和反偏安全工作區(qū)，如圖8所示。其中正偏安全工作區(qū)受最大集電極電流ICM、最大耐壓BVCEO、最大允許功耗PCM和二次擊穿觸發(fā)功率PS/B的限制。DC為直流情況，虛線為脈沖情況，反向偏置安全工作區(qū)受最大集電極電流、集-射維持電壓和二次擊穿功率的限制。

圖8、正偏安全工作區(qū)

4)其他特性參數(shù)

主要有集電極電壓最大值、發(fā)射極電壓最大值、集電極電流最大值ICM、基極電流最大值IBM、最大功耗PCM、最高結(jié)溫TIM等。由干各參數(shù)均受溫度影響，因此應(yīng)采取有效散熱措施，確保GTR結(jié)溫不超過規(guī)定值。