GTO的基本结构和工作原理

1、GTO的基本结构和工作原理thyristor,GT0）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， GT0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，GT0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DCAC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，GT0 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GT0是一种PNPN4层结

2、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GT0的阳极、门极和阴极。Q1为P1N1P2 晶体管的共基极电流放大系数，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a 1比a 2小，即P1N1P2晶体管不灵敏，而N2P2N1晶体管灵 敏。GT0导通时器件总的放大系数al+a2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。GT0称为GT0元，它们的门极和阴极分 电流，定义为GTO的擎住电流。当GTO在门

3、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Q1和变化，并使之满足 (il+(i2l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，在一定条件下过髙的阳极 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

4、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，要提髙正向门 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TG,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

5、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) ts阶段。GT0导电时，所有GT0元中两个等效晶体管 均饱和，要用门极控制GT0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，GT0阳极

6、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) 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a 1和a 2也不断减小，当 al+(i2W 1时，器件内部正反馈作用停止，称此点为临界关断 点。GT0的关断条件为a 1+a 2 ( a 1+u ) -llATO/a 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B off表示如下:Poff=IAT0/|-IGM|o

7、(5)Poff是一个重要的特征参数，其值一般为38。在tf阶段，GT0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GT0再次导通。随着 du/dt上升减慢，阳极电

8、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U， /SPANRRM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1251时，由 于a

9、1和a 2大大增加，自动满足了 a 1+Q 21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，图中iGl 和iG2相当于毛刺电流，iG0iGll,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

10、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

11、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

12、 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

13、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