GTO的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1、.門極可斷晶閘管(gate turn-off thyristor,GTO)是一種具有自斷能力的晶閘管。處于斷態(tài)時(shí)，如果有陽(yáng)極正向電壓，在其門極加上正向觸發(fā)脈沖電流后，GTO可由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)，已處于通態(tài)時(shí)，門極加上足夠大的反向脈沖電流，GTO由通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。由于不需用外部電路強(qiáng)迫陽(yáng)極電流為0而使之關(guān)斷，僅由門極加脈沖電流去關(guān)斷它；所以在直流電源供電的DCDC，DCAC變換電路中應(yīng)用時(shí)不必設(shè)置強(qiáng)迫關(guān)斷電路。這就簡(jiǎn)化了電力變換主電路，提高了工作的可靠性，減少了關(guān)斷損耗，與SCR相比還可以提高電力電子變換的最高工作頻率。因此，GTO是一種比較理想的大功率開關(guān)器件。一、結(jié)構(gòu)與工作原理1、 結(jié)構(gòu)GTO是一

2、種PNPN4層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)、等效電路及圖形符號(hào)示于圖1中。圖1中A、G和K分別表示GTO的陽(yáng)極、門極和陰極。1為P1N1P2晶體管的共基極電流放大系數(shù)，2為N2P2N1晶體管的共基極電流放大系數(shù)，圖1中的箭頭表示各自的多數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)方向。通常1比2小，即P1N1P2晶體管不靈敏，而N2P2N1晶體管靈敏。GTO導(dǎo)通時(shí)器件總的放大系數(shù)1+2稍大于1，器件處于臨界飽和狀態(tài)，為用門極負(fù)信號(hào)去關(guān)斷陽(yáng)極電流提供了可能性。普通晶閘管SCR也是PNPN4層結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、門極和陰極，構(gòu)成一個(gè)單元器件。GTO稱為GTO元，它們的門極和陰極分別并聯(lián)在一起。與SCR不同，GTO是一種多元的功率集成

3、器件，這是為便于實(shí)現(xiàn)門極控制關(guān)斷所采取的特殊設(shè)計(jì)。GTO的開通和關(guān)斷過程與每一個(gè)GTO元密切相關(guān)，但GTO元的特性又不等同于整個(gè)GTO器件的特性，多元集成使GTO的開關(guān)過程產(chǎn)生了一系列新的問題。2、 開通原理由圖1（b）所示的等效電路可以看出，當(dāng)陽(yáng)極加正向電壓，門極同時(shí)加正觸發(fā)信號(hào)時(shí)，GTO導(dǎo)通，其具體過程如圖2所示。顯然這是一個(gè)正反饋過程。當(dāng)流入的門極電流IG足以使晶體管N2P2N1的發(fā)射極電流增加，進(jìn)而使晶體管P1N1P2的發(fā)射極電流也增加時(shí)，1和2增加。當(dāng)1+2>1之后，兩個(gè)晶體管均飽和導(dǎo)通，GTO則完成了導(dǎo)通過程。可見，GTO開通的必要條件是1+2>1， （1）此時(shí)注入門極

4、的電流IG=1-（1+2）IA/ 2 （2）式中，IAGTO的陽(yáng)極電流； IGGTO的門極電流。由式（2）可知，當(dāng)GTO門極注入正的電流IG但尚不滿足開通條件時(shí)，雖有正反饋?zhàn)饔?，但器件仍不?huì)飽和導(dǎo)通。這是因?yàn)殚T極電流不夠大，不滿足1+2>1的條件，這時(shí)陽(yáng)極電流只流過一個(gè)不大而且是確定的電流值。當(dāng)門極電流IG撤銷后，該陽(yáng)極電流也就消失。與1+2=1狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極電流為臨界導(dǎo)通電流，定義為GTO的擎住電流。當(dāng)GTO在門極正觸發(fā)信號(hào)的作用下開通時(shí)，只有陽(yáng)極電流大于擎住電流后，GTO才能維持大面積導(dǎo)通。分頁(yè)由此可見，只要能引起1和2變化，并使之滿足1+2>1條件的任何因素，都可以導(dǎo)致PN

5、PN4層器件的導(dǎo)通。所以，除了注入門極電流使GTO導(dǎo)通外，在一定條件下過高的陽(yáng)極電壓和陽(yáng)極電壓上升率du/dt，過高的結(jié)溫及火花發(fā)光照射等均可能使GTO觸發(fā)導(dǎo)通。所有這些非門極觸發(fā)都是不希望的非正常觸發(fā)，應(yīng)采取適當(dāng)措施加以防止。實(shí)際上，因?yàn)镚TO是多元集成結(jié)構(gòu)，數(shù)百個(gè)以上的GTO元制作在同一硅片上，而GTO元的特性總會(huì)存在差異，使得GTO元的電流分布不均，通態(tài)壓降不一，甚至?xí)陂_通過程中造成個(gè)別GTO元的損壞，以致引起整個(gè)GTO的損壞。為此，要求在制造時(shí)盡可能使硅片微觀結(jié)構(gòu)均勻，嚴(yán)格控制工藝裝備和工藝過程，以求最大限度地達(dá)到所有GTO元的特性的一致性。另外，要提高正向門極觸發(fā)電流脈沖上升沿陡度

6、，以求達(dá)到縮短GTO元陽(yáng)極電流滯后時(shí)間，加速GTO元陰極導(dǎo)電面積的擴(kuò)展，縮短GTO開通時(shí)間的目的。3、 關(guān)斷原理GTO開通后可在適當(dāng)外部條件下關(guān)斷，其關(guān)斷電路原理與關(guān)斷時(shí)的陽(yáng)極和門極電流如圖3所示。關(guān)斷GTO時(shí)，將開關(guān)S閉合，門極就施以負(fù)偏置電壓UG。晶體管P1N1P2的集電極電流IC1被抽出形成門極負(fù)電流-IG，此時(shí)晶體管N2P2N1的基極電流減小，進(jìn)而引起IC1的進(jìn)一步下降，如此循環(huán)不已，最終導(dǎo)致GTO的陽(yáng)極電流消失而關(guān)斷。GTO的關(guān)斷過程分為三個(gè)階段：存儲(chǔ)時(shí)間（t s）階段，下降時(shí)間(t f)階段，尾部時(shí)間(t t )階段。關(guān)斷過程中相應(yīng)的陽(yáng)極電流iA、門極電流iG、管壓降uAK和功耗P

7、off隨時(shí)間的變化波形如圖3(b)所示。（1） t s階段。GTO導(dǎo)電時(shí)，所有GTO元中兩個(gè)等效晶體管均飽和，要用門極控制GTO關(guān)斷，首先必須使飽和的等效晶體管退出飽和，恢復(fù)基區(qū)控制能力。為此應(yīng)排除P2基區(qū)中的存儲(chǔ)電荷，t s階段即是依靠門極負(fù)脈沖電壓抽出這部分存儲(chǔ)電荷。在t s階段所有等效晶體管均未退出飽和，3個(gè)PN結(jié)都還是正向偏置；所以在門極抽出存儲(chǔ)電荷的同時(shí)，GTO陽(yáng)極電流iA仍保持原先穩(wěn)定導(dǎo)電時(shí)的數(shù)值IA，管壓降u AK也保持通態(tài)壓降。（2） t f階段。經(jīng)過t s階段后，P1N1P2等效晶體管退出飽和，N2P2N1晶體管也恢復(fù)了控制能力，當(dāng)iG變化到其最大值-IGM時(shí)，陽(yáng)極電流開始下

8、降，于是1和2也不斷減小，當(dāng)1+21時(shí)，器件內(nèi)部正反饋?zhàn)饔猛Ｖ梗Q此點(diǎn)為臨界關(guān)斷點(diǎn)。GTO的關(guān)斷條件為1+2<1， （3）關(guān)斷時(shí)需要抽出的最大門極負(fù)電流-IGM為|-IGM|>（1+）-1IATO/2， （4）式中，IATO被關(guān)斷的最大陽(yáng)極電流； IGM抽出的最大門極電流。由式（4）得出的兩個(gè)電流的比表示GTO的關(guān)斷能力，稱為電流關(guān)斷增益，用off表示如下：off=IATO/|-IGM|。 （5）off是一個(gè)重要的特征參數(shù)，其值一般為38。在tf階段，GTO元中兩個(gè)等效晶體管從飽和退出到放大區(qū)；所以隨著陽(yáng)極電流的下降，陽(yáng)極電壓逐步上升，因而關(guān)斷時(shí)功耗較大。在電感負(fù)載條件下，陽(yáng)極電流

9、與陽(yáng)極電壓有可能同時(shí)出現(xiàn)最大值，此時(shí)的瞬時(shí)關(guān)斷損耗尤為突出。分頁(yè)（3） t t階段。從GTO陽(yáng)極電流下降到穩(wěn)定導(dǎo)通電流值的10%至陽(yáng)極電流衰減到斷態(tài)漏電流值時(shí)所需的時(shí)間定義為尾部時(shí)間t t。在t t階段中，如果UAK上升du/dt較大時(shí)，可能有位移電流通過P2N1結(jié)注入P2基區(qū)，引起兩個(gè)等效晶體管的正反饋過程，輕則出現(xiàn)IA的增大過程，重則造成GTO再次導(dǎo)通。隨著du/dt上升減慢，陽(yáng)極電流IA逐漸衰減。如果能使門極驅(qū)動(dòng)負(fù)脈沖電壓幅值緩慢衰減，在t t階段，門極依舊保持適當(dāng)負(fù)電壓，則t t時(shí)間可以縮短。二、特性與參數(shù)1、 靜態(tài)特性（1）陽(yáng)極伏安特性GTO的陽(yáng)極伏安特性如圖4所示。當(dāng)外加電壓超過正

10、向轉(zhuǎn)折電壓UDRM時(shí)，GTO即正向開通，這種現(xiàn)象稱做電壓觸發(fā)。此時(shí)不一定破壞器件的性能；但是若外加電壓超過反向擊穿電壓U<, /SPAN>RRM之后，則發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象，極易損壞器件。用90%UDRM值定義為正向額定電壓，用90%URRM值定義為反向額定電壓。GTO的陽(yáng)極耐壓與結(jié)溫和門極狀態(tài)有著密切關(guān)系，隨著結(jié)溫升高，GTO的耐壓降低，如圖5所示。當(dāng)GTO結(jié)溫高于125時(shí)，由于1和2大大增加，自動(dòng)滿足了1+2>1的條件；所以不加觸發(fā)信號(hào)GTO即可自行開通。為了減小溫度對(duì)阻斷電壓的影響，可在其門極與陰極之間并聯(lián)一個(gè)電阻，即相當(dāng)于增設(shè)了一短路發(fā)射極。GTO的陽(yáng)極耐壓還與門極狀態(tài)有

11、關(guān)，門極電路中的任何毛刺電流都會(huì)使陽(yáng)極耐壓降低，開通后又會(huì)使GTO擎住電流和管壓降增大。圖（6）表示門極狀態(tài)對(duì)GTO陽(yáng)極耐壓的影響，圖(6)中iG1和 iG2相當(dāng)于毛刺電流，iG0<iG1<iG2。顯然，當(dāng)門極出現(xiàn)iG1或iG2時(shí)，GTO正向轉(zhuǎn)折電壓大大降低，因而器件的正向額定電壓相應(yīng)降低。（2） 通態(tài)壓降特性GTO的通態(tài)壓降特性如圖（7）所示。結(jié)溫不同，GTO的通態(tài)壓降UA隨著陽(yáng)極通態(tài)電流IA的增加而增加，只是趨勢(shì)不盡相同。圖（7）中所示曲線為GFF200E型GTO的通態(tài)壓降特性。一般希望通態(tài)壓降越小越好；管壓降小，GTO的通態(tài)損耗小。分頁(yè)2、 動(dòng)態(tài)特性GTO的動(dòng)態(tài)特性是指GTO

12、從斷態(tài)到通態(tài)、從通態(tài)到斷態(tài)的變化過程中，電壓、電流以及功率損耗隨時(shí)間變化的規(guī)律。（1） GTO的開通特性GTO的開通特性如圖(8)所示。當(dāng)陽(yáng)極施以正電壓，門極注入一定電流時(shí)，陽(yáng)極電流大于擎住電流之后，GTO完全導(dǎo)通。開通時(shí)間ton由延遲時(shí)間表td和上升時(shí)間tr組成。ton的大小取決于元件特性、門極電流上升率diG/dt以及門極脈沖幅值的大小。由圖可知，在延遲時(shí)間內(nèi)功率損耗比較小，大部分的開通損耗出現(xiàn)在上升時(shí)間內(nèi)。當(dāng)陽(yáng)極電壓一定時(shí)，每個(gè)脈沖GTO開通損耗將隨著峰值陽(yáng)極電流IA的增加而增加。（2） GTO的關(guān)斷特性GTO的門極、陰極加適當(dāng)負(fù)脈沖時(shí)，可關(guān)斷導(dǎo)通著的GTO陽(yáng)極電流。關(guān)斷過程中陽(yáng)極電流、

13、電壓及關(guān)斷功率損耗隨時(shí)間變化的曲線，以及關(guān)斷過程中門極電流、電壓及陽(yáng)極電流、電壓隨時(shí)間變化的曲線如圖(9)所示。由圖（9）可以看出，整個(gè)關(guān)斷過程可由3個(gè)不同的時(shí)間間隔來表示，即存儲(chǔ)時(shí)間t s、下降時(shí)間t f和尾部時(shí)間t t。存儲(chǔ)時(shí)間t s對(duì)應(yīng)著從關(guān)斷過程開始，到出現(xiàn)1+2=1狀態(tài)為止的一段時(shí)間間隔，在這段時(shí)間內(nèi)從門極抽出大量過剩載流子，GTO的導(dǎo)通區(qū)不斷被壓縮，但總的電流幾乎不變。下降時(shí)間t f對(duì)應(yīng)著陽(yáng)極電流迅速下降，門極電流不斷上升和門極反電壓開始建立的過程，在這段時(shí)間里，GTO中心結(jié)開始退出飽和，繼續(xù)從門極抽出載流子。尾部時(shí)間t t則是指從陽(yáng)極電流降到極小值開始，直到最終達(dá)到維持電流為止的

14、電流時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)仍有殘存的載流子被抽出，但是陽(yáng)極電壓已建立；因此很容易由于過高的重加du/dt，使GTO關(guān)斷失效，這一點(diǎn)必須充分重視。GTO的基本結(jié)構(gòu)和工作原理GTO的基本結(jié)構(gòu)GTO是一種電流控制型的自關(guān)斷雙極器件，當(dāng)門極引入正向電流時(shí)導(dǎo)通，引入反向電流是關(guān)斷，但不能像GTR那樣在門極信號(hào)撤除時(shí)也能自行關(guān)斷。這就是說，GTO跟普通晶閘管一樣，一旦導(dǎo)通即能在導(dǎo)通狀態(tài)下自鎖（Latch-up），是一種必須靠門極電流的極性變化來改變通斷狀態(tài)的晶閘管。圖3-1 GTO并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)的斷面示意圖GTO的基本結(jié)構(gòu)與基本工作原理與普通晶閘管大同小異，只是為了實(shí)現(xiàn)門極關(guān)斷和提高門極的控制能力而擴(kuò)大了P基區(qū)

15、(門極區(qū))對(duì)N發(fā)射區(qū)（陰極區(qū)）的相對(duì)面積，并將N發(fā)射區(qū)化整為零，分置與P區(qū)環(huán)繞之中，這些分離開的微小N發(fā)射區(qū)通過共用P基區(qū)，N基區(qū)，P發(fā)射區(qū)，形成GTO的管芯的全部晶閘管單元,每個(gè)單元晶閘管各有其獨(dú)立的陰極，通常用壓接方式把他們并聯(lián)于同一陰極壓塊上。GTO的陽(yáng)極通常是燒結(jié)在公共P發(fā)射區(qū)表面的鉬片或鎢片，而門極則是淀積在P基區(qū)表面的梳狀鋁層。對(duì)于面積較大的圓形芯片，門極可做成多級(jí)同心梳狀環(huán)，梳齒與排成環(huán)狀的單元相間。其中圖31所示為GTO管芯的局部斷面示意圖。GTO的陰極和門極并不在同一平面上，這有利于陰極的壓接和門極的引出。同時(shí)，每個(gè)晶閘管單元為J3結(jié)通過臺(tái)面造型也改善了結(jié)表面的電壓阻斷能力。

16、由此可見，GTO的制造工藝比普通晶閘管的制造工藝精細(xì)的多，復(fù)雜的多。3.1.2 GTO的工作原理GTO同普通晶閘管在結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別，除了化整為零這一點(diǎn)外，還有兩個(gè)顯著之點(diǎn)。其一是GTO用門極包圍陰極，而普通晶閘管用陰極包圍門極，不管是中央門極結(jié)構(gòu)還是放射狀門極結(jié)構(gòu)；其二是GTO沒有陰極短路點(diǎn)。為了改善GTO關(guān)斷特性和高溫特性，有在陽(yáng)極設(shè)短路點(diǎn)的所謂陽(yáng)極短路型GTO，這種GTO的反向阻斷能力較差。就每個(gè)單元而言，GTO的開通過程與普通晶閘管完全相同，也是靠門極注入正向電流來滿足導(dǎo)通條件：1+2>1，并且也是在N發(fā)射區(qū)鄰近門極的邊沿首先導(dǎo)通，然后通過等離子體擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)全面導(dǎo)通，略有不同的是，

17、GTO的導(dǎo)通是同時(shí)在各個(gè)單元里發(fā)生的，等離子體在各個(gè)單元里同時(shí)從邊沿向中心擴(kuò)展，而普通晶閘管作為一個(gè)完整的大單元來開通，等離子體的擴(kuò)展面積要大的多。GTO的關(guān)斷過程也是在各個(gè)單元里同時(shí)進(jìn)行的，但其關(guān)斷方式和原理與普通晶閘管不同，它是靠反偏門極對(duì)P基區(qū)中空穴的抽取來實(shí)現(xiàn)關(guān)斷的。對(duì)于晶閘管類型的器件來說，P基區(qū)中的等離子體是維持導(dǎo)通的必要條件。當(dāng)?shù)入x子體中的空穴隨著門極負(fù)電流流走時(shí)，J2結(jié)和J3結(jié)的正偏條件被消弱，N發(fā)射區(qū)通過J3結(jié)向P基區(qū)注入額外電子的注入效率相對(duì)下降，直至完全失去正偏條件，停止額外電子的注入。當(dāng)然，這個(gè)過程也是在每個(gè)單元里從邊沿向中心逐漸推進(jìn)的，等離子體從外向里逐漸縮小，J3結(jié)

18、從外向里逐漸恢復(fù)阻斷作用。當(dāng)?shù)入x子體收縮到一定限度時(shí)，J3結(jié)仍然保持正偏狀態(tài)的中央部分有限的注入已難以通過內(nèi)部電流的再生正反饋?zhàn)饔镁S持整個(gè)單元的導(dǎo)通狀態(tài)，于是J3結(jié)恢復(fù)反偏狀態(tài)，GTO的每個(gè)單元都恢復(fù)了J2結(jié)的反向阻斷能力時(shí)即被關(guān)斷。GTO（以P型門極為例）是由PNPN四層半導(dǎo)體材料構(gòu)成，其三個(gè)電極分別為陽(yáng)極A、陰極K和門極G，圖3-2是其結(jié)構(gòu)及電路圖形符號(hào)。圖3-2 GTO的結(jié)構(gòu)、等效電路及圖形符號(hào)當(dāng)在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加反向電壓時(shí)，這時(shí)不管控制極的信號(hào)情況如何，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加正向電壓時(shí)，若在控制極與陰極之間沒有電壓或加反向電壓，晶閘管還是不會(huì)導(dǎo)通。只有當(dāng)

19、在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加正向電壓時(shí)，在控制極與陰極之間加正向電壓，晶閘管才會(huì)導(dǎo)通。但晶閘管一旦導(dǎo)通，不管控制極有沒有電壓，只要陽(yáng)極與陰極之間維持正向電壓，則晶閘管就維持導(dǎo)通。電特性，即當(dāng)其陽(yáng)極A、陰極K兩端為正向電壓，在門極G上加正的觸發(fā)電壓時(shí)，晶閘管將導(dǎo)通，導(dǎo)通方向AK。當(dāng)GTO處于導(dǎo)通狀態(tài)，若在其門極G上加一個(gè)適當(dāng)負(fù)電壓，則能使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷（普通晶閘管在靠門極正電壓觸發(fā)之后，撤掉觸發(fā)電壓也能維持導(dǎo)通，只有切斷電源使正向電流低于維持電流或加上反向電壓，才能使其關(guān)斷）GTO的關(guān)斷損耗在下降時(shí)間t f階段內(nèi)相當(dāng)集中，其瞬時(shí)功耗與尖峰電壓UP有關(guān)。過大的瞬時(shí)功耗會(huì)出現(xiàn)類似晶體管二次擊穿的現(xiàn)象，造成GTO損壞。