[科普中国]-大功率晶体管

大功率晶体管是指在高电压、大电流的条件下工作的晶体管。一般被称为功率器件，属于电力电子技术（功率电子技术）领域研究范畴。其实质就是要有效地控制功率电子器件合理工作，通过功率电子器件为负载提供大功率的输出。

简介大功率晶体管一般被称为功率器件，属于电力电子技术（功率电子技术）领域研究范畴。其实质就是要有效地控制功率电子器件合理工作，通过功率电子器件为负载提供大功率的输出。

一般说来，功率器件通常工作于高电压、大电流的条件下，普遍具备耐压高、工作电流大、自身耗散功率大等特点，因此在使用时与一般小功率器件存在一定差别1。

分类功率器件从整体上可以分为不可控器件、半可控器件和全可控器件。

1、不可控器件

指导通和关断无法通过控制信号进行控制，完全由其在电路中所承受的电流、电压情况决定，属于自然导通和自然关断。包括功率二极管。

2、半可控器件

指能用控制信号控制其导通，但不能控制其关断，其关断只能由其在主电路中承受的电压、电流情况决定，属于自然关断。包括晶闸管（SCR）和由其派生出来的双向晶闸管（TRIAC）。

3、全可控器件

指能使用控制信号控制其导通和关断的器件，包括功率三极管（GTR）、功率场效应管（功率MOSFET）、可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、MOS控制晶闸管（MCT）、静电感应晶体管（SIT）、静电感应晶闸管（SITH）和集成门极换流晶闸管（IGCT）等。

全可控器件从控制形式上还可以分为电流控制型和电压控制型两大类。

属于电流控制型的有：GTR（功率三极管）、SCR（可控晶闸管）、TRIAC（可控双向晶闸管）、GTO（可关断晶体管）等。

属于电压控制型的有：功率MOSFET、IGBT、MCT和SIT1。

性能比较1、选型考虑原则

适用性（是否满足技术要求）、经济性（性价比）；

2、工作频率比较

SIT>MOSFET（3-10MHz）>IGBT（50KHz）>SITH>GTR（30KHz）>MCT>GTO

3、功率容量比较

GTO（6000V/6000A）>SITH>MCT>IGBT（2500V/1000A）>GTR（1800V/400A）>SIT>功率MOSFET（1000V/100A）

4、通态电阻比较

功率MOSFET>SIT>SITH>GTO>IGBT>GTR>MCT

5、控制难易程度比较

电压控制型控制较电流控制型更容易控制，但其中的SIT属于常开型器件，控制难度大于功率MOSFET和IGBT2。

基极驱动电路设计原则GTR基极驱动电路和性能直接影响着GTR的工作状况，因此在设计基极驱动电路时应考虑以下两点：最优化驱动方式和自动快速保护。

所谓最优化驱动，就是以理想的基极驱动电流波形去控制GTR的开关过程，以便提高开关速度，减小开关损耗。理想的基极驱动电流波形。为加快开通时间和降低开通损耗，正向基极电流在开通初期不但要求有陡峭的前沿，而且要求有一定时间的过驱动电流IB1。导通阶段的基极驱动电流IB2应使GTR恰好维持在准饱和状态，以便缩短存储时间ts。一般情况下，过驱动电流IB1的数值选为准饱和基极驱动电流值IB2的3倍左右，过驱动电流波形前沿应控制在0.5s以内，其宽度控制在2s左右。关断GTR时，反向基极驱动电流IB3应大一些，以便加快基区中载流子的抽走速度，缩短关断时间，减小关断损耗，实际应用中，常选IB3=IB1或更大一些。这种基极驱动波形一般由加速电路和贝克箝位电路来实现。

另外，GTR的驱动电路还应有自保护功能，以便在故障状态下能快速自动切除基极驱动信号，以避免GTR的损坏。保护电路的类型有多种，根据器件及电路的不同要求可进行适当的选择。为了提高开关速度，可采用抗饱和保护电路；要保证开关电路自身功耗低，可采用退饱和保护电路；要防止基极欠驱动导致器件过载状态，可采用电源电压监控保护。此外，还有脉冲宽度限制电路以及防止GTR损坏的过压、过流、过热等保护电路。

基极驱动电路构成形式很多，归结起来有三个明显的趋势：

1）为了提高工作速度，都以抗饱和贝克箝位电路作为基本电路；

2）不断完善和扩大自动保护功能；

3）在开通和关断速度方面不断加以改进和完善。

应用用于控制功率输出，高频大功率晶体管的应用电子设备的扫描电路中，如彩电,显示器，示波器，大型游戏机的水平扫描电路，视放电路，发射机的功率放大器，如对讲机，手机的射频输出电路，高频振荡电路和高速电子开关电路等。

大功率管由于发热量大所以必须安装在金属散热器上，且金属散热器的面积要足够大，否则达不到技术文档规定的技术性能3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学