GTO地基本结构和工作原理

1、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、结构玷构

2、1町祁枚电聃心)图附幵吗图1E 忖 获询师站岭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。a 1为P1N1P2晶体管的共基极电流放大系数，a 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a 1比a2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a 1+ a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

3、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、开通原理图2 开通过程由图i（ 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，a 1和a2增加。当a 1+力>1

4、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a1+ a2>1 ，（1）此时注入门极的电流ig=1- （a1+ a）ia/ a（2）式中，IAGTO的阳极电流；IGGTO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a1+ a2>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a1+ a2=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

5、，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a 1和a 2变化，并使之满足a 1+ a2>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

6、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、关断原理也)霍斷过胖弊效电蹄圈3(iTO Jcftr电路与关斷过程疲形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Ici被抽出形成门极负电流-I G，此时晶体管N2P2N1的基极电流减小，进而引

7、起Ici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

8、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，PiN 1P2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al和a2也不断减小，当a 1+ a2 <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a1+ a2<1 ，(3)关断时需要抽出的最大门极负电流 -Igm为|-l gm |> (a1+ a) -1l ato/ a2，(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(

9、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 阳彳表示如下：B off =l ATO/|-I GM|。( 5 )Poff是一个重要的特征参数，其值一般为38。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

10、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，贝U 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<, /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

11、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 °C时，由于a 1和a2大大增加， 自动满足了 a 1+必>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。團：；GTQ阳用鞘產匕结温的拴割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i G1和iG2相当于毛刺电流，iG0&l

12、t;iG1<iG2。 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。分页qg区阴6 门枫伏克对茴门趾陨耐侄的產晴匪7 GFFE |代厲GTO的通玉盛降特性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

13、的开通特性图G丁。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o ton的大小取决于元件特性、 门极电流上升率di G/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

14、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a 1+ a2=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

15、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，弓I 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

16、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。 G TO 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 31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

17、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，还有两个显著之点。 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：a 1+ a2>1，并且也是在N +发射

18、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

19、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

20、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 - Ko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）團9G CO的关断待性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