GTO的基本结构和工作原理[共17页].doc

门极可断晶闸管 (gate turn-off thyristor ,GTO ) 是一种具有自断能力的晶闸管处于断态时,如果有阳极正向电压,在其门极加上正向触发脉冲电流后,GTO 可由断态转入通态,已处于通态时,门极加上足够大的反向脉冲电流,GTO 由通态转入断态由于不需用外部电路强迫阳极电流为 0而使之关断,仅由门极加脉冲电流去关断它；所以在直流电源供电的 DC —DC ,DC —AC 变换电路中应用时不必设置强迫关断电路这就简化了电力变换主电路,提高了工作的可靠性, 减少了关断损耗, 与 SCR 相比还可以提高电力电子变换的最高工作频率因此, GTO 是一种比较理想的大功率开关器件一、结构与工作原理1、 结构GTO 是一种 PNPN4 层结构的半导体器件,其结构、等效电路及图形符号示于图 1中图1中 A、G 和 K 分别表示GTO 的阳极、门极和阴极 α1为 P1 N1P2晶体管的共基极电流放大系数, α2为N2P2N1 晶体管的共基极电流放大系数,图 1中的箭头表示各自的多数载流子运动方向通常 α1比 α2小,即 P1 N1P2 晶体管不灵敏,而 N2 P2 N1 晶体管灵敏GTO 导通时器件总的放大系数 α1+ α2稍大于 1,器件处于临界饱和状态,为用门极负信号去关断阳极电流提供了可能性。

普通晶闸管 SCR 也是 PNPN4 层结构,外部引出阳极、门极和阴极,构成一个单元器件 GTO 称为 GTO 元,它们的门极和阴极分别并联在一起与SCR 不同, GTO 是一种多元的功率集成器件,这是为便于实现门极控制关断所采取的特殊设计GTO 的开通和关断过程与每一个 GTO 元密切相关, 但 GTO 元的特性又不等同于整个 GTO 器件的特性,多元集成使 GTO 的开关过程产生了一系列新的问题2、 开通原理由图1（b）所示的等效电路可以看出,当阳极加正向电压,门极同时加正触发信号时, GTO 导通,其具体过程如图 2所示显然这是一个正反馈过程当流入的门极电流 IG 足以使晶体管 N2P2N 1的发射极电流增加,进而使晶体管 P1 N1P2的发射极电流也增加时, α1和 α2增加当 α1+ α2>1 之后,两个晶体管均饱和导通, GTO 则完成了导通过程可见, GTO 开通的必要条件是α1+ α2>1 , （1）此时注入门极的电流I G=[1- （α1+ α2）IA]/ α2 （2）式中, I A——GTO 的阳极电流；I G——GTO 的门极电流由式（ 2）可知,当 GTO 门极注入正的电流 IG 但尚不满足开通条件时,虽有正反馈作用,但器件仍不会饱和导通。

这是因为门极电流不够大,不满足 α1+ α2>1 的条件,这时阳极电流只流过一个不大而且是确定的电流值当门极电流 IG 撤销后, 该阳极电流也就消失 与 α1+ α2=1 状态所对应的阳极电流为临界导通电流,定义为 GTO 的擎住电流当 GTO 在门极正触发信号的作用下开通时,只有阳极电流大于擎住电流后, GTO 才能维持大面积导通{{ 分页}}由此可见, 只要能引起 α1和 α2变化,并使之满足 α1+ α2>1 条件的任何因素,都可以导致 PNPN4 层器件的导通所以,除了注入门极电流使 GTO 导通外,在一定条件下过高的阳极电压和阳极电压上升率 du/dt ,过高的结温及火花发光照射等均可能使 GTO 触发导通所有这些非门极触发都是不希望的非正常触发,应采取适当措施加以防止实际上,因为 GTO 是多元集成结构,数百个以上的 GTO 元制作在同一硅片上,而 GTO 元的特性总会存在差异,使得 GTO 元的电流分布不均,通态压降不一,甚至会在开通过程中造成个别 GTO 元的损坏,以致引起整个 GTO 的损坏为此,要求在制造时尽可能使硅片微观结构均匀,严格控制工艺装备和工艺过程,以求最大限度地达到所有 GTO 元的特性的一致性。

另外,要提高正向门极触发电流脉冲上升沿陡度,以求达到缩短 GTO 元阳极电流滞后时间,加速 GTO 元阴极导电面积的扩展,缩短 GTO 开通时间的目的3、 关断原理GTO 开通后可在适当外部条件下关断,其关断电路原理与关断时的阳极和门极电流如图 3所示 关断 GTO 时,将开关 S闭合,门极就施以负偏置电压 UG晶体管 P1 N1 P2 的集电极电流 I C1被抽出形成门极负电流 -I G,此时晶体管 N 2P2N1的基极电流减小,进而引起 IC1 的进一步下降,如此循环不已,最终导致 GTO 的阳极电流消失而关断GTO 的关断过程分为三个阶段： 存储时间 （t s）阶段, 下降时间 (t f) 阶段,尾部时间 (t t ) 阶段 关断过程中相应的阳极电流 iA、门极电流 iG、管压降 uAK和功耗 Poff 随时间的变化波形如图 3(b) 所示1） t s阶段 GTO导电时,所有 GTO 元中两个等效晶体管均饱和,要用门极控制 GTO 关断,首先必须使饱和的等效晶体管退出饱和,恢复基区控制能力为此应排除 P2基区中的存储电荷, t s阶段即是依靠门极负脉冲电压抽出这部分存储电荷在 t s阶段所有等效晶体管均未退出饱和, 3个 PN 结都还是正向偏置；所以在门极抽出存储电荷的同时, GTO 阳极电流 iA 仍保持原先稳定导电时的数值I A,管压降 u AK 也保持通态压降。

2） t f阶段经过t s阶段后, P1 N1P2 等效晶体管退出饱和, N2 P2N 1晶体管也恢复了控制能力, 当 iG变化到其最大值-I GM时,阳极电流开始下降,于是 α1和 α2也不断减小,当 α1+ α2≤ 1时,器件内部正反馈作用停止,称此点为临界关断点 GTO 的关断条件为α1+ α2<1 , （3）关断时需要抽出的最大门极负电流 -I GM 为|-I GM|>[ （α1+ α） -1]I ATO/ α2, （4）式中, I ATO— — 被关断的最大阳极电流；IGM — — 抽出的最大门极电流由式（ 4）得出的两个电流的比表示 GTO 的关断能力, 称为电流关断增益,用 βoff 表示如下： βoff =I ATO /|-I GM| （5）βoff 是一个重要的特征参数,其值一般为3~8 在 tf阶段, GTO 元中两个等效晶体管从饱和退出到放大区；所以随着阳极电流的下降,阳极电压逐步上升,因而关断时功耗较大在电感负载条件下,阳极电流与阳极电压有可能同时出现最大值,此时的瞬时关断损耗尤为突出 {{ 分页}}（3） t t 阶段从 GTO 阳极电流下降到稳定导通电流值的 10% 至阳极电流衰减到断态漏电流值时所需的时间定义为尾部时间 t t 。

在 t t 阶段中,如果 UAK 上升 du/dt 较大时,可能有位移电流通过 P2N 1结注入 P2基区,引起两个等效晶体管的正反馈过程, 轻则出现 I A 的增大过程,重则造成 GTO 再次导通随着 du/dt 上升减慢,阳极电流 I A 逐渐衰减如果能使门极驱动负脉冲电压幅值缓慢衰减,在 t t 阶段,门极依旧保持适当负电压,则 t t 时间可以缩短二、特性与参数1、 静态特性（1）阳极伏安特性GTO 的阳极伏安特性如图 4所示当外加电压超过正向转折电压 UDRM 时,GTO 即正向开通,这种现象称做电压触发此时不一定毁坏器件的性能；但是若外加电压超过反向击穿电压 U<, /SPAN> RRM 之后,则发生雪崩击穿现象,极易损坏器件用90%U DRM 值定义为正向额定电压, 用90%U RRM 值定义为反向额定电压GTO 的阳极耐压与结温和门极状态有着密切关系,随着结温升高, GTO 的耐压降低,如图 5所示当 GTO 结温高于 125 ℃时,由于 α1和 α2大大增加,自动满足了 α1+ α2>1 的条件；所以不加触发信号 GTO 即可自行开通为了减小温度对阻断电压的影响,可在其门极与阴极之间并联一个电阻,即相当于增设了一短路发射极。

GTO 的阳极耐压还与门极状态有关,门极电路中的任何毛刺电流都会使阳极耐压降低,开通后又会使 GTO 擎住电流和管压降增大图（ 6）表示门极状态对 GTO 阳极耐压的影响, 图(6) 中iG1 和 iG2 相当于毛刺电流, iG0

由图可知,在延迟时间内功率损耗比较小,大部分的开通损耗出现在上升时间内当阳极电压一定时,每个脉冲 GTO 开通损耗将随着峰值阳极电流I A 的增加而增加2 ） GTO 的关断特性GTO 的门极、 阴极加适当负脉冲时, 可关断导通着的 GTO 阳极电流 关断过程中阳极电流、电压及关断功率损耗随时间变化的曲线,以及关断过程中门极电流、电压及阳极电流、电压随时间变化的曲线如图 (9) 所示由图（ 9 ）可以看出,整个关断过程可由 3 个不同的时间间隔来表示,即存储时间 t s、下降时间 t f 和尾部时间 t t 存储时间 t s 对应着从关断过程开始,到出现 α1+ α2=1 状态为止的一段时间间隔,在这段时间内从门极抽出大量过剩载流子, GTO 的导通区不断被压缩,但总的电流几乎不变下降时间 t f 对应着阳极电流迅速下降,门极电流不断上升和门极反电压开始建立的过程,在这段时间里, GTO 中心结开始退出饱和,继续从门极抽出载流子尾部时间 t t 则是指从阳极电流降到极小值开始,直到最终达到维持电流为止的电流时间 在这段时间内仍有残存的载流子被抽出, 但是阳极电压已建立；因此很容易由于过高的重加 du/dt ,使 GTO 关断失效,这一点必须充分重视。