GTO的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1、.word.zl.word.zl.門極可斷晶閘管(gateturn-o任thyristor,GTO)是一種具有自斷能力的晶閘管。處于斷態(tài)時，如果有陽極正向電壓，在其門極加上正向觸發(fā)脈沖電流后，gto可由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)，已處于通態(tài)時，門極加上足夠大的反向脈沖電流，GTO由通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。由于不需用外部電路強(qiáng)迫陽極電流為0而使之關(guān)斷，僅由門極加脈沖電流去關(guān)斷它；所以在直流電源供電的DCDC,DCAC變換電路中應(yīng)用時不必設(shè)置強(qiáng)迫關(guān)斷電路。這就簡化了電力變換主電路，提高了工作的可靠性，減少了關(guān)斷損耗，與SCR相比還可以提高電力電子變換的最高工作頻率。因此，gto是一種比擬理想的大功率開關(guān)器件。一、構(gòu)造與工

2、作原理1、構(gòu)造i佚呼譏WgtO是一種PNPN4層構(gòu)造的半導(dǎo)體器件，其構(gòu)造、等效電路及圖形符號示于圖1中。圖1中A、G和K分別表示gto的陽極、門極和陰極。al為PNP晶體管的共基極電流放大系數(shù)，a2為NPN112221晶體管的共基極電流放大系數(shù)，圖1中的箭頭表示各自的多數(shù)載流子運(yùn)動方向。通常al比a2小，即PNP晶體管不靈敏，而NPN晶體管靈敏。GTO導(dǎo)112221O通時器件總的放大系數(shù)a1+a2稍大于1，器件處于臨界飽和狀態(tài)，為用門極負(fù)信號去關(guān)斷陽極電流提供了可能性。普通晶閘管SCR也是PNPN4層構(gòu)造，外部引出陽極、門極和陰極，構(gòu)成一個單元器件。GTO稱為gto元，它們的門極和陰極分別并聯(lián)

3、在一起。與SCR不同，gto是一種多元的功率集成器件，這是為便于實現(xiàn)門極控制關(guān)斷所采取的特殊設(shè)計。gto的開通和關(guān)斷過程與每一個gto元密切相關(guān)，但gto元的特性又不等同于整個gto器件的特性，多元集成使GTO的開關(guān)過程產(chǎn)生了一系列新的問題。2、開通原理Ij由圖1b所示的等效電路可以看出，當(dāng)陽極加正向電壓，門極同時加正觸發(fā)信號時，gTO導(dǎo)通，其具體過程如圖2所示。顯然這是一個正反應(yīng)過程。當(dāng)流入的門極電流I足以使晶體管NPNG221的發(fā)射極電流增加，進(jìn)而使晶體管PNP的發(fā)射極電流也增加時，al和a2增112加。當(dāng)a1+a21之后，兩個晶體管均飽和導(dǎo)通，GTO那么完成了導(dǎo)通過程?？梢?，gto開通的

4、必要條件是TOC o 1-5 h za1+a21，1此時注入門極的電流I=1-a1+a2I/a22GA式中，Igto的陽極電流；AIgto的門極電流。G由式2可知，當(dāng)gto門極注入正的電流I但尚不滿足開通條件時，雖G有正反應(yīng)作用，但器件仍不會飽和導(dǎo)通。這是因為門極電流不夠大，不滿足a1+a21的條件，這時陽極電流只流過一個不大而且是確定的電流值。當(dāng)門極電流IG撤銷后，該陽極電流也就消失。與a1+a2=1狀態(tài)所對應(yīng)的陽極電流為臨界導(dǎo)通電流，定義為GTO的擎住電流。當(dāng)GTO在門極正觸發(fā)信號的作用下開通時，只有陽極電流大于擎住電流后，GTO才能維持大面積導(dǎo)通。分頁由此可見，只要能引起al和a2變化，

5、并使之滿足a1+a21條件的任何因素，都可以導(dǎo)致PNPN4層器件的導(dǎo)通。所以，除了注入門極電流使GT導(dǎo)通外，在一定條件下過高的陽極電壓和陽極電壓上升率du/dt，過高的結(jié)溫及火花發(fā)光照射等均可能使GT觸發(fā)導(dǎo)通。所有這些非門極觸發(fā)都是不希望的非正常觸發(fā)，應(yīng)采取適當(dāng)措施加以防止。實際上，因為GTO是多元集成構(gòu)造，數(shù)百個以上的GTO元制作在同一硅片上，而GTO元的特性總會存在差異，使得GTO元的電流分布不均，通態(tài)壓降不一，甚至?xí)陂_通過程中造成個別GTO元的損壞，以致引起整個GTO的損壞。為此，要求在制造時盡可能使硅片微觀構(gòu)造均勻，嚴(yán)格控制工藝裝備和工藝過程，以求最大限度地到達(dá)所有GTO元的特性的一

6、致性。另外，要提高正向門極觸發(fā)電流脈沖上升沿陡度，以求到達(dá)縮短GTO元陽極電流滯后時間，加速GT元陰極導(dǎo)電面積的擴(kuò)展，縮短GTO開通時間的目的。3、關(guān)斷原理A芙斷訂稈尊裁電路圈3GTD關(guān)艇電路與關(guān)底連程波揺GTOA芙斷訂稈尊裁電路圈3GTD關(guān)艇電路與關(guān)底連程波揺GTO開通后可在適當(dāng)外部條件下關(guān)斷，其關(guān)斷電路原理與關(guān)斷時的陽極和門極電流如圖3所示。關(guān)斷gto時，將開關(guān)S閉合，門極就施以負(fù)偏置電壓U。晶體管PNP的集電極電流I被抽出形成G112C1門極負(fù)電流-I，此時晶體管NPN的基極電流減小，進(jìn)而引起I的進(jìn)一步下G221C1降，如此循環(huán)不已，最終導(dǎo)致GTO的陽極電流消失而關(guān)斷。GTO的關(guān)斷過程分

7、為三個階段：存儲時間ts階段，下降時間(t?階段,尾部時間(t)階段。關(guān)斷過程中相應(yīng)的陽極電流i、門極電流i、管壓降utAGAK和功耗P隨時間的變化波形如圖3(b)所示。off1t階段。GTO導(dǎo)電時，所有GTO元中兩個等效晶體管均飽和，要s用門極控制GTO關(guān)斷，首先必須使飽和的等效晶體管退出飽和，恢復(fù)基區(qū)控制能力。為此應(yīng)排除P基區(qū)中的存儲電荷，t階段即是依靠門極負(fù)脈沖電壓2s抽出這局部存儲電荷。在t階段所有等效晶體管均未退出飽和，3個PN結(jié)都s還是正向偏置；所以在門極抽出存儲電荷的同時，GTO陽極電流i仍保持原A先穩(wěn)定導(dǎo)電時的數(shù)值I,管壓降u也保持通態(tài)壓降。AAK2t階段。經(jīng)過t階段后，PNP

8、等效晶體管退出飽和，NPN晶TOC o 1-5 h zfs112221體管也恢復(fù)了控制能力，當(dāng)i變化到其最大值-I時，陽極電流開場下降，GGM于是al和a2也不斷減小，當(dāng)a1+a2W1時，器件內(nèi)部正反應(yīng)作用停頓，稱此點為臨界關(guān)斷點。Gto的關(guān)斷條件為a1+a2a1+a-1I/a2，4GMATO式中，I被關(guān)斷的最大陽極電流；ATOI抽出的最大門極電流。GM由式4得出的兩個電流的比表示gto的關(guān)斷能力，稱為電流關(guān)斷增益，用0表示如下：卩=I/|-I|。5ofoffATOGM0是一個重要的特征參數(shù)，其值一般為38。off在tf階段，GTO元中兩個等效晶體管從飽和退出到放大區(qū)；所以隨著陽極電流的下降，

9、陽極電壓逐步上升，因而關(guān)斷時功耗較大。在電感負(fù)載條件下,陽極電流與陽極電壓有可能同時出現(xiàn)最大值，此時的瞬時關(guān)斷損耗尤為突出。分頁3t階段。從gto陽極電流下降到穩(wěn)定導(dǎo)通電流值的10%至陽極電t流衰減到斷態(tài)漏電流值時所需的時間定義為尾部時間t。t在t階段中，如果U上升du/dt較大時，可能有位移電流通過PN結(jié)tAK21注入P基區(qū)，引起兩個等效晶體管的正反應(yīng)過程，輕那么出現(xiàn)I的增大過程,2A重那么造成gto再次導(dǎo)通。隨著du/dt上升減慢，陽極電流I逐漸衰減。A如果能使門極驅(qū)動負(fù)脈沖電壓幅值緩慢衰減，在t階段，門極依舊保持t適當(dāng)負(fù)電壓，那么t時間可以縮短。t二、特性與參數(shù)1、靜態(tài)特性1陽極伏安特性

10、GTO的陽極伏安特性如圖4所示。當(dāng)外加電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓U時,GTODRMGTO即正向開通，這種現(xiàn)象稱做電壓觸發(fā)。此時不一定破壞器件的性能；但是假設(shè)外加電壓超過反向擊穿電壓U1的條件；所以不加觸發(fā)信號GTO即可自行開通。為了減小溫度對阻斷電壓的影響，可在其門極與陰極之間并聯(lián)一個電阻，即相當(dāng)于增設(shè)了一短路發(fā)射極。IGT仆的陽啟缺安樣性LtIGT仆的陽啟缺安樣性Lt：GTO陽撥耐匡與結(jié)詛的關(guān)瑕GTO的陽極耐壓還與門極狀態(tài)有關(guān)，門極電路中的任何毛刺電流都會使陽極耐壓降低，開通后又會使GTo擎住電流和管壓降增大。圖6表示門極狀態(tài)對GTO陽極耐壓的影響，圖(6)中i和i相當(dāng)于毛刺電流，ii1,并且也是

11、在N+發(fā)射區(qū)鄰近門極的邊沿首先12導(dǎo)通，然后通過等離子體擴(kuò)展實現(xiàn)全面導(dǎo)通，略有不同的是，GTO的導(dǎo)通是同時在各個單元里發(fā)生的，等離子體在各個單元里同時從邊沿向中心擴(kuò)展，而普通晶閘管作為一個完整的大單元來開通，等離子體的擴(kuò)展面積要大的多。GTO的關(guān)斷過程也是在各個單元里同時進(jìn)展的，但其關(guān)斷方式和原理與普通晶閘管不同，它是靠反偏門極對P基區(qū)中空穴的抽取來實現(xiàn)關(guān)斷的。對于晶閘管類型的器件來說，P基區(qū)中的等離子體是維持導(dǎo)通的必要條件。當(dāng)?shù)入x子體中的空穴隨著門極負(fù)電流流走時，J結(jié)和J結(jié)的正偏條件被消弱，N+發(fā)射區(qū)通過J結(jié)233向P基區(qū)注入額外電子的注入效率相對下降，直至完全失去正偏條件，停頓額外電子的注

12、入。當(dāng)然，這個過程也是在每個單元里從邊沿向中心逐漸推進(jìn)的，等離子體從外向里逐漸縮小，J結(jié)從外向里逐漸恢復(fù)阻斷作用。當(dāng)?shù)入x子體收縮到一定限度時J結(jié)仍然保持正偏狀態(tài)的中央局部有限的注入已難以通過內(nèi)部電流的再生正反應(yīng)作用維持整個單元的導(dǎo)通狀態(tài)，于是J結(jié)恢復(fù)反偏狀態(tài)，GTO的每個單元3都恢復(fù)了J2結(jié)的反向阻斷能力時即被關(guān)斷。GTO以P型門極為例是由PNPN四層半導(dǎo)體材料構(gòu)成，其三個電極分別為陽極A、陰極K和門極G,圖3-2是其構(gòu)造及電路圖形符號。可圖3-2GTO的構(gòu)造、等效電路及圖形符號當(dāng)在晶閘管的陽極與陰極之間加反向電壓時，這時不管控制極的信號情況如何，晶閘管都不會導(dǎo)通。當(dāng)在晶閘管的陽極與陰極之間加

13、正向電壓時，假設(shè)在控制極與陰極之間沒有電壓或加反向電壓，晶閘管還是不會導(dǎo)通。只有當(dāng)在晶閘管的陽極與陰極之間加正向電壓時，在控制極與陰極之間加正向電壓，晶閘管才會導(dǎo)通。但晶閘管一旦導(dǎo)通，不管控制極有沒有電壓，只要陽極與陰極之間維持正向電壓，那么晶閘管就維持導(dǎo)通。電特性，即當(dāng)其陽極A、陰極K兩端為正向電壓，在門極G上加正的觸發(fā)電壓時，晶閘管將導(dǎo)通，導(dǎo)通方向AfK。當(dāng)GTO處于導(dǎo)通狀態(tài)，假設(shè)在其門極G上加一個適當(dāng)負(fù)電壓，那么能使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷普通晶閘管在靠門極正電壓觸發(fā)之后,撤掉觸發(fā)電壓也能維持導(dǎo)通,只有切斷電源使正向電流低于維持電流或加上反向電壓，才能使其關(guān)斷n圉9GTO的艾斷特性n圉9GTO的

14、艾斷特性gto的關(guān)斷損耗在下降時間tf階段內(nèi)相當(dāng)集中，其瞬時功耗與尖峰電壓u有關(guān)。過大的瞬時功耗會出現(xiàn)類似晶體管二P次擊穿的現(xiàn)象，造成GTO損壞。在實際應(yīng)用中應(yīng)盡量減小緩沖電路的雜散電感，選擇電感小的二極管及電容等元件，以便減小尖峰電壓U。P陽極電流急劇減小以后，呈現(xiàn)出一個緩慢衰減的尾部電流。由于此時陽極電壓已經(jīng)升高，因此GTo關(guān)斷時的大局部功率損耗出現(xiàn)在尾部時間。在一樣的關(guān)斷條件下，GTO型號不同，相應(yīng)的尾部電流起始值幕和尾部電流的持續(xù)時間均不同。在存儲時間內(nèi)過大的門極反向電流上升率di/dt會使尾部時RG間加長。此外，過高的重加du/dt會使GTO因瞬時功耗過大而在尾部時間內(nèi)損壞器件。因此必須很好地控制重加du/dt，設(shè)計適當(dāng)?shù)木彌_電路。一般來說，GTO關(guān)斷時總的功率損耗隨陽極電流的增大而增大，隨緩沖電容的增加而減小。門極負(fù)電流、負(fù)電壓波形是GTO特有的門極動態(tài)特性，如圖(9)所示。門極負(fù)電流的最大值隨陽極可關(guān)斷電流的增大而增大。門極負(fù)電流增長的速度與門極所加負(fù)電壓參數(shù)有關(guān)。如果在門極電路中有較大的電感，會使門極-陰極結(jié)進(jìn)入雪崩