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是一種

2、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器

3、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+21之后，兩個(gè)晶體管均飽和導(dǎo)通，GTO則完成了導(dǎo)通過程?？梢?，GTO開通的必要條件是1+21， （1）此時(shí)注入門極的電流IG=1-（

4、1+2）IA/ 2 （2）式中，IAGTO的陽極電流； 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)饔茫骷圆粫?huì)飽和導(dǎo)通。這是因?yàn)殚T極電流不夠大，不滿足1+21的條件，這時(shí)陽極電流只流過一個(gè)不大而且是確定的電流值。當(dāng)門極電流IG撤銷后，該陽極電流也就消失。與1+2=1狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的陽極電流為臨界導(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)，只有陽極電流大于擎住電流后，GTO才能維持大面積導(dǎo)通。分頁由此可見，只要能引起1和2變化，并使之滿足1+21條件的任何因素，都可以導(dǎo)致PNPN4層器件的導(dǎo)通。所以，除了注入

5、門極電流使GTO導(dǎo)通外，在一定條件下過高的陽極電壓和陽極電壓上升率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，以求達(dá)到縮短GTO元陽極電流滯后

6、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)的陽極電流iA、門極電流iG、管壓降uAK和功耗Poff隨時(shí)間的變化波形如圖3(b)

7、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)，陽極電流開始下降，于是1和2也不斷減小，當(dāng)1+2

8、1時(shí)，器件內(nèi)部正反饋?zhàn)饔猛Ｖ?，稱此點(diǎn)為臨界關(guān)斷點(diǎn)。GTO的關(guān)斷條件為1+2（1+）-1IATO/2， （4）式中，IATO被關(guān)斷的最大陽極電流； 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)；所以隨著陽極電流的下降，陽極電壓逐步上升，因而關(guān)斷時(shí)功耗較大。在電感負(fù)載條件下，陽極電流與陽極電壓有可能同時(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（3） t t階段。從GTO陽極電流下降到穩(wěn)定導(dǎo)通

9、電流值的10%至陽極電流衰減到斷態(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）陽極伏安特性GTO的陽極伏安特性如圖4所示。當(dāng)外加電壓超過正向轉(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

10、電壓URRM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+21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的陽極耐壓還與門極狀態(tài)有關(guān)，門極電路中的任何毛刺電流都會(huì)使陽極耐壓降低，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陽極耐壓的影響，圖(6)中iG1和

11、iG2相當(dāng)于毛刺電流，iG0iG11，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，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，

12、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)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

13、，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)在晶閘管的陽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)在晶閘管的陽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

14、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。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量減小緩沖電路的雜散電感，選擇電感小的二極管及電容等元件，以便減小尖峰電壓UP。陽極電流急劇減小以后，呈現(xiàn)出一個(gè)緩慢衰減的尾部電流。由于此時(shí)陽極電壓已經(jīng)升高，因此GTO關(guān)斷時(shí)的大部分功率損耗出現(xiàn)在尾部時(shí)間。在相同的關(guān)斷條件下，GTO型號(hào)不同，相應(yīng)的尾部電流起始值IT1和尾部電流的持續(xù)時(shí)間均不同。在存儲(chǔ)時(shí)間內(nèi)過大的門極反向電流上升率diRG/dt會(huì)使尾部時(shí)間加長(zhǎng)。此外，過高的重加du/dt會(huì)使GTO因瞬時(shí)功耗過大而在尾部時(shí)間內(nèi)損壞器件。因此必須很好地控制重加du/dt，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)木彌_電路。一般來說，GTO關(guān)斷時(shí)總的功率損耗隨陽極電流的增大而增大，隨緩沖電容的增加而減小。門極負(fù)電流、負(fù)電壓波形是GTO特有的門極動(dòng)態(tài)特性，如圖(9)所示。門極負(fù)電流的最大值隨陽極可關(guān)斷電流的增大而增大。門極負(fù)電流增長(zhǎng)的速度與門極所加負(fù)電壓參數(shù)有關(guān)。如果在門極電路中有較大的電感，會(huì)使門極-陰極結(jié)進(jìn)入雪