GTO的基本结构和工作原理

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 1为 P1N1P2晶体管的共基极电流放大系数 2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 1比 2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 1 2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 1和 2 增加 当 1 2 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 1 2 1 1 此时注入门极的电流 IG 1 1 2 IA 2 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 1 2 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 1 2 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 1和 2变化 并使之满足 1 2 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 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 IA 管压降 u AK也保持通态压降 2 t f阶段 经过 t s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 1和 2也不断减小 当 1 2 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 1 2 1 1 IATO 2 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 off表示如下 off IATO IGM 5 off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 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 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 此时不一定破坏器件的性能 但 是若外加电压超过反向击穿电压 URRM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 1和 2大大增 加 自动满足了 1 2 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 iG11 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 2 GTO 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 t f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