半导体器件：电力晶体管是什么？特点原理分析-KIA MOS管
电力晶体管
电力晶体管按英文Giant Transistor——GTR，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor—BJT），所以有时也称为Power BJT；但其驱动电路复杂，驱动功率大；GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。
GTR是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力,产生于上个世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。
它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。
GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的符号,和普通的NPN晶体管一样。
电力晶体管结构
电力晶体管(Giant Transistor)简称GTR又称BJT（Bipolar Junction Transistor），GTR和BJT这两个名称是等效的，结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。
GTR由三层半导体、两个PN结组成。和小功率三极管一样，有PNP和NPN两种类型，GTR通常多用NPN结构。
工作原理
在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。GTR通常工作在正偏(Ib>0)时大电流导通；反偏(Ib<0=时处于截止状态。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。
特点
1.输出电压
可以采用脉宽调制方式，故输出电压为幅值等于直流电压的强脉冲序列。
2.载波频率
由于电力晶体管的开通和关断时间较长，故允许的载波频率较低，大部分变频器的上限载波频率约为1.2～1.5kHz左右。
3.电流波形
因为载波频率较低，故电流的高次谐波成分较大。这些高次谐波电流将在硅钢片中形成涡流，并使硅钢片相互间因产生电磁力而振动，并产生噪音。又因为载波频率处于人耳对声音较为敏感的区域，故电动机的电磁噪音较强。
4.输出转矩
因为电流中高次谐波的成分较大，故在50Hz时，电动机轴上的输出转矩与工频运行时相比，略有减小。
基本特性
(1)静态特性
共发射极接法时可分为三个工作区：
① 截止区。在截止区内，iB≤0，uBE≤0，uBC<0，集电极只有漏电流流过。
② 放大区。iB >0，uBE>0，uBC<0，iC =βiB。
③ 饱和区。iB >Ics/β，uBE>0，uBC>0，iCS是集电极饱和电流，其值由外电路决定。
结论：两个PN结都为正向偏置是饱和的特征。饱和时，集电极、发射极间的管压降uCE很小，相当于开关接通，这时尽管电流很大，但损耗并不大。
GTR刚进入饱和时为临界饱和，如iB继续增加，则为过饱和，用作开关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降低uCE和减小导通时的损耗。
(2)动态特性
GTR共发射极接法的输出特性
图1GTR开关特性
GTR在关断时漏电流很小，导通时饱和压降很小。因此，GTR在导通和关断状态下损耗都很小，但在关断和导通的转换过程中，电流和电压都较大，所以开关过程中损耗也较大。
当开关频率较高时，开关损耗是总损耗的主要部分。因此，缩短开通和关断时间对降低损耗、提高效率和提高运行可靠性很有意义。
主要参数
(1)最高工作电压
(2)集电极最大允许电流ICM
(3)集电极最大允许耗散功率PCM
(4)最高工作结温TJM
二次击穿和安全工作区
(1)二次击穿
二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一个重要因素。当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。
出现一次击穿后，只要Ic不超过与最大运行耗散功率相对应的限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不会有什么变化。
但是实际应用中常常发现一次击穿发生时如不有效地限制电流，Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的突然下降，这种现象称为二次击穿。
防止二次击穿的办法是：①应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多。②必须有电压电流缓冲保护措施。
(2)安全工作区
图2 GTR安全工作区
以直流极限参数ICM、PCM、UCEM构成的工作区为一次击穿工作区，以USB (二次击穿电压)与ISB (二次击穿电流)组成的PSB (二次击穿功率)是一个不等功率曲线。
为了防止二次击穿，要选用足够大功率的GTR，实际使用的最高电压通常比GTR的极限电压低很多。
图3 GTR基极驱动电流波形
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