GTO的基本结构和工作原理.docx

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GTO的基本结构和工作原理

GTO的基本结构和工作原理（总14页）

门极可断晶闸管（gateturn-offthyristor,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P1N1P2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P1N1P2晶体管不灵敏，而N2P2N1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N2P2N1的发射极电流增加，进而使晶体管P1N1P2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

　　IG=[1-（α1+α2）IA]/α2

（2）

　　式中，IA——GTO的阳极电流；

　　IG——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。

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　　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P1N1P2的集电极电流IC1被抽出形成门极负电流-IG，此时晶体管N2P2N1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（ts）阶段，下降时间（tf）阶段，尾部时间（tt）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）ts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，ts阶段即是依靠门极负脉冲电压抽出这部分存储电荷。

在ts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IA，管压降uAK也保持通态压降。

（2）tf阶段。

经过ts阶段后，P1N1P2等效晶体管退出饱和，N2P2N1晶体管也恢复了控制能力，当iG变化到其最大值-IGM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-IGM为

　　|-IGM|>[（α1+α）-1]IATO/α2，（4）

　　式中，IATO——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=IATO/|-IGM|。

（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。

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　　（3）tt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tt。

　　在tt阶段中，如果UAK上升du/dt较大时，可能有位移电流通过P2N1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IA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IA逐渐衰减。

　　如果能使门极驱动负脉冲电压幅值缓慢衰减，在tt阶段，门极依旧保持适当负电压，则tt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。

此时不一定破坏器件的性能；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%UDRM值定义为正向额定电压，用90%URRM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

显然，当门极出现iG1或iG2时，GTO正向转折电压大大降低，因而器件的正向额定电压相应降低。

（2）通态压降特性

　　GTO的通态压降特性如图（7）所示。

结温不同，GTO的通态压降UA随着阳极通态电流IA的增加而增加，只是趋势不尽相同。

图（7）中所示曲线为GFF200E型GTO的通态压降特性。

一般希望通态压降越小越好；管压降小，GTO的通态损耗小。

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2、动态特性

　　GTO的动态特性是指GTO从断态到通态、从通态到断态的变化过程中，电压、电流以及功率损耗随时间变化的规律。

（1）GTO的开通特性

GTO的开通特性如图（8）所示。

当阳极施以正电压，门极注入一定电流时，阳极电流大于擎住电流之后，GTO完全导通。

开通时间ton由延迟时间表td和上升时间tr组成。

ton的大小取决于元件特性、门极电流上升率diG/dt以及门极脉冲幅值的大小。

　　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IA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ts、下降时间tf和尾部时间tt。

存储时间ts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tf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tt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。

GTO的基本结构和工作原理

GTO的基本结构

GTO是一种电流控制型的自关断双极器件，当门极引入正向电流时导通，引入反向电流是关断，但不能像GTR那样在门极信号撤除时也能自行关断。

这就是说，GTO跟普通晶闸管一样，一旦导通即能在导通状态下自锁（Latch-up），是一种必须靠门极电流的极性变化来改变通断状态的晶闸管。

图3-1GTO并联单元结构的断面示意图

GTO的基本结构与基本工作原理与普通晶闸管大同小异，只是为了实现门极关断和提高门极的控制能力而扩大了P基区（门极区）对N＋发射区（阴极区）的相对面积，并将N＋发射区化整为零，分置与P区环绕之中，这些分离开的微小N＋发射区通过共用P基区，N＋基区，P发射区，形成GTO的管芯的全部晶闸管单元,每个单元晶闸管各有其独立的阴极，通常用压接方式把他们并联于同一阴极压块上。

GTO的阳极通常是烧结在公共P发射区表面的钼片或钨片，而门极则是淀积在P基区表面的梳状铝层。

对于面积较大的圆形芯片，门极可做成多级同心梳状环，梳齿与排成环状的单元相间。

其中图3－1所示为GTO管芯的局部断面示意图。

GTO的阴极和门极并不在同一平面上，这有利于阴极的压接和门极的引出。

同时，每个晶闸管单元为J3结通过台面造型也改善了结表面的电压阻断能力。

由此可见，GTO的制造工艺比普通晶闸管的制造工艺精细的多，复杂的多。

GTO的工作原理

GTO同普通晶闸管在结构上的主要区别，除了化整为零这一点外，还有两个显着之点。

其一是GTO用门极包围阴极，而普通晶闸管用阴极包围门极，不管是中央门极结构还是放射状门极结构；其二是GTO没有阴极短路点。

为了改善GTO关断特性和高温特性，有在阳极设短路点的所谓阳极短路型GTO，这种GTO的反向阻断能力较差。

就每个单元而言，GTO的开通过程与普通晶闸管完全相同，也是靠门极注入正向电流来满足导通条件：

α1+α2>1，并且也是在N＋发射区邻近门极的边沿首先导通，然后通过等离子体扩展实现全面导通，略有不同的是，GTO的导通是同时在各个单元里发生的，等离子体在各个单元里同时从边沿向中心扩展，而普通晶闸管作为一个完整的大单元来开通，等离子体的扩展面积要大的多。

GTO的关断过程也是在各个单元里同时进行的，但其关断方式和原理与普通晶闸管不同，它是靠反偏门极对P基区中空穴的抽取来实现关断的。

对于晶闸管类型的器件来说，P基区中的等离子体是维持导通的必要条件。

当等离子体中的空穴随着门极负电流流走时，J2结和J3结的正偏条件被消弱，N＋发射区通过J3结向P基区注入额外电子的注入效率相对下降，直至完全失去正偏条件，停止额外电子的注入。

当然，这个过程也是在每个单元里从边沿向中心逐渐推进的，等离子体从外向里逐渐缩小，J3结从外向里逐渐恢复阻断作用。

当等离子体收缩到一定限度时，J3结仍然保持正偏状态的中央部分有限的注入已难以通过内部电流的再生正反馈作用维持整个单元的导通状态，于是J3结恢复反偏状态，GTO的每个单元都恢复了J2结的反向阻断能力时即被关断。

GTO（以P型门极为例）是由PNPN四层半导体材料构成，其三个电极分别为阳极A、阴极K和门极G，图3-2是其结构及电路图形符号。

图3-2GTO的结构、等效电路及图形符号

当在晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压时，这时不管控制极的信号情况如何，晶闸管都不会导通。

当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，若在控制极与阴极之间没有电压或加反向电压，晶闸管还是不会导通。

只有当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，在控制极与阴极之间加正向电压，晶闸管才会导通。

但晶闸管一旦导通，不管控制极有没有电压，只要阳极与阴极之间维持正向电压，则晶闸管就维持导通。

电特性，即当其阳极A、阴极K两端为正向电压，在门极G上加正的触发电压时，晶闸管将导通，导通方向A→K。

当GTO处于导通状态，若在其门极G上加一个适当负电压，则能使导通的晶闸管关断（普通晶闸管在靠门极正电压触发之后，撤掉触发电压也能维持导通，只有切断电源使正向电流低于维持电流或加上反向电压，才能使其关断）

GTO的关断损耗在下降时间tf阶段内相当集中，其瞬时功耗与尖峰电压UP有关。

过大的瞬时功耗会出现类似晶体管二次击穿的现象，造成GTO损坏。

在实际应用中应尽量减小缓冲电路的杂散电感，选择电感小的二极管及电容等元件，以便减小尖峰电压UP。

　　阳极电流急剧减小以后，呈现出一个缓慢衰减的尾部电流。

由于此时阳极电压已经升高，因此GTO关断时的大部分功率损耗出现在尾部时间。

在相同的关断条件下，GTO型号不同，相应的尾部电流起始值IT1和尾部电流的持续时间均不同。

在存储时间内过大的门极反向电流上升率diRG/dt会使尾部时间加长。

此外，过高的重加du/dt会使GTO因瞬时功耗过大而在尾部时间内损坏器件。

因此必须很好地控制重加du/dt，设计适当的缓冲电路。

一般来说，GTO关断时总的功率损耗随阳极电流的增大而增大，随缓冲电容的增加而减小。

　　门极负电流、负电压波形是GTO特有的门极动态特性，如图（9）所示。

门极负电流的最大值随阳极可关断电流的增大而增大。

门极负电流增长的速度与门极所加负电压参数有关。

如果在门极电路中有较大的电感，会使门极-阴极结进入雪崩状态。

在雪崩期间，阴极产生反向电流。

与阴极反向电流对应的时间为雪崩时间tBR，在这段时间内，阳极仍有尾部电流，门极继续从阳极抽出电流。

门极负电流中既有从阳极抽出的电流又有阴极反向电流。

如果门极实际承受的反向电流不超过门极雪崩电压UGR，则不会出现阴极反向电流。

实际应用中，多数情况下不使门极-阴极结产生雪崩现象，以防止因雪崩电流过大而损坏门极-阴极结。

　　除了以上特别提出讨论的几个工作特性外，GTO的其他工作特性及参数都与普通晶闸管没有多少差别，这里不再赘述。