可關(guān)斷晶閘管(GTO)

　　門極可斷晶閘管(gate turn-off 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DC—DC，DC—AC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是一種比較理想的大功率開關(guān)器件。

一、結(jié)構(gòu)與工作原理

1、 結(jié)構(gòu)

GTO是一種PNPN4層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)、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。α1為P₁N₁P₂晶體管的共基極電流放大系數(shù)，α2為N₂P₂N₁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)載流子運動方向。通常α1比α2小，即P₁N₁P₂晶體管不靈敏，而N₂P₂N₁晶體管靈敏。GTO導(dǎo)通時器件總的放大系數(shù)α1+α2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層結(jié)構(gòu)，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)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

　　由圖1（b）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。

　　顯然這是一個正反饋過程。當(dāng)流入的門極電流I_G足以使晶體管N₂P₂N₁的發(fā)射極電流增加，進(jìn)而使晶體管P₁N₁P₂的發(fā)射極電流也增加時，α1和α2增加。當(dāng)α1+α2>1之后，兩個晶體管均飽和導(dǎo)通，GTO則完成了導(dǎo)通過程?？梢?，GTO開通的必要條件是

　　α1+α2>1，        （1）

　　此時注入門極的電流

　　I_G=[1-（α1+α2）I_A]/ α2           （2）

　　式中，I_A——GTO的陽極電流；

　　      I_G——GTO的門極電流。

　　由式（2）可知，當(dāng)GTO門極注入正的電流I_G但尚不滿足開通條件時，雖有正反饋作用，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α1+α2>1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α1+α2=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α1和α2變化，并使之滿足α1+α2>1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GTO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GTO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是多元集成結(jié)構(gòu)，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結(jié)構(gòu)均勻，嚴(yán)格控制工藝裝備和工藝過程，以求最大限度地達(dá)到所有GTO元的特性的一致性。另外，要提高正向門極觸發(fā)電流脈沖上升沿陡度，以求達(dá)到縮短GTO元陽極電流滯后時間，加速GTO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

　　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_G。晶體管P₁N₁P₂的集電極電流I_C1被抽出形成門極負(fù)電流-I_G，此時晶體管N₂P₂N₁的基極電流減小，進(jìn)而引起I_C1的進(jìn)一步下降，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)斷過程分為三個階段：存儲時間（t _s）階段，下降時間(t _f)階段，尾部時間(t _t )階段。關(guān)斷過程中相應(yīng)的陽極電流i_A、門極電流i_G、管壓降u_AK和功耗P_off隨時間的變化波形如圖3(b)所示。

　?。?）  t _s階段。GTO導(dǎo)電時，所有GTO元中兩個等效晶體管均飽和，要用門極控制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P₂基區(qū)中的存儲電荷，t _s階段即是依靠門極負(fù)脈沖電壓抽出這部分存儲電荷。在t _s階段所有等效晶體管均未退出飽和，3個PN結(jié)都還是正向偏置；所以在門極抽出存儲電荷的同時，GTO陽極電流i_A仍保持原先穩(wěn)定導(dǎo)電時的數(shù)值I_A，管壓降u _AK也保持通態(tài)壓降。

　?。?）  t _f階段。經(jīng)過t _s階段后，P₁N₁P₂等效晶體管退出飽和，N₂P₂N₁晶體管也恢復(fù)了控制能力，當(dāng)i_G變化到其最大值-I_GM時，陽極電流開始下降，于是α1和α2也不斷減小，當(dāng)α1+α2≤1時，器件內(nèi)部正反饋作用停止，稱此點為臨界關(guān)斷點。GTO的關(guān)斷條件為

　　α1+α2<1，   （3）

　　關(guān)斷時需要抽出的最大門極負(fù)電流-I_GM為

　　|-I_GM|>[（α1+α）-1]I_ATO/α2，      （4）

　　式中，I_ATO——被關(guān)斷的最大陽極電流；

 　　I_GM——抽出的最大門極電流。

　　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β_off表示如下：β_off=I_ATO/|-I_GM|。      （5）

　　β_off是一個重要的特征參數(shù)，其值一般為3~8。

　　在t_f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，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}}

　?。?）  t _t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 _t階段中，如果U_AK上升du/dt較大時，可能有位移電流通過P₂N₁結(jié)注入P₂基區(qū)，引起兩個等效晶體管的正反饋過程，輕則出現(xiàn)I_A的增大過程，重則造成GTO再次導(dǎo)通。隨著du/dt上升減慢，陽極電流I_A逐漸衰減。

　　如果能使門極驅(qū)動負(fù)脈沖電壓幅值緩慢衰減，在t _t階段，門極依舊保持適當(dāng)負(fù)電壓，則t _t時間可以縮短。

二、特性與參數(shù)

1、  靜態(tài)特性

（1）陽極伏安特性

　　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_DRM時，GTO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；但是若外加電壓超過反向擊穿電壓U<, /SPAN>_RRM之后，則發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象，極易損壞器件。

　　用90%U_DRM值定義為正向額定電壓，用90%U_RRM值定義為反向額定電壓。

　　GTO的陽極耐壓與結(jié)溫和門極狀態(tài)有著密切關(guān)系，隨著結(jié)溫升高，GTO的耐壓降低，如圖5所示。當(dāng)GTO結(jié)溫高于125℃時，由于α1和α2大大增加，自動滿足了α1+α2>1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。

　　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_G1和 i_G2相當(dāng)于毛刺電流，i_G0<i_G1<i_G2。顯然，當(dāng)門極出現(xiàn)i_G1或i_G2時，GTO正向轉(zhuǎn)折電壓大大降低，因而器件的正向額定電壓相應(yīng)降低。

（2） 通態(tài)壓降特性

　　GTO的通態(tài)壓降特性如圖（7）所示。結(jié)溫不同，GTO的通態(tài)壓降U_A隨著陽極通態(tài)電流I_A的增加而增加，只是趨勢不盡相同。圖（7）中所示曲線為GFF200E型GTO的通態(tài)壓降特性。一般希望通態(tài)壓降越小越好；管壓降小，GTO的通態(tài)損耗小。{{分頁}}

2、  動態(tài)特性

　　GTO的動態(tài)特性是指GTO從斷態(tài)到通態(tài)、從通態(tài)到斷態(tài)的變化過程中，電壓、電流以及功率損耗隨時間變化的規(guī)律。

（1） GTO的開通特性

GTO的開通特性如圖(8)所示。當(dāng)陽極施以正電壓，門極注入一定電流時，陽極電流大于擎住電流之后，GTO完全導(dǎo)通。開通時間t_on由延遲時間表t_d和上升時間t_r組成。t_on的大小取決于元件特性、門極電流上升率di_G/dt以及門極脈沖幅值的大小。

　　由圖可知，在延遲時間內(nèi)功率損耗比較小，大部分的開通損耗出現(xiàn)在上升時間內(nèi)。當(dāng)陽極電壓一定時，每個脈沖GTO開通損耗將隨著峰值陽極電流I_A的增加而增加。

（2） GTO的關(guān)斷特性

　　GTO的門極、陰極加適當(dāng)負(fù)脈沖時，可關(guān)斷導(dǎo)通著的GTO陽極電流。關(guān)斷過程中陽極電流、電壓及關(guān)斷功率損耗隨時間變化的曲線，以及關(guān)斷過程中門極電流、電壓及陽極電流、電壓隨時間變化的曲線如圖(9)所示。

　　由圖（9）可以看出，整個關(guān)斷過程可由3個不同的時間間隔來表示，即存儲時間t _s、下降時間t _f和尾部時間t _t。存儲時間t _s對應(yīng)著從關(guān)斷過程開始，到出現(xiàn)α1+α2=1狀態(tài)為止的一段時間間隔，在這段時間內(nèi)從門極抽出大量過剩載流子，GTO的導(dǎo)通區(qū)不斷被壓縮，但總的電流幾乎不變。下降時間t _f對應(yīng)著陽極電流迅速下降，門極電流不斷上升和門極反電壓開始建立的過程，在這段時間里，GTO中心結(jié)開始退出飽和，繼續(xù)從門極抽出載流子。尾部時間t _t則是指從陽極電流降到極小值開始，直到最終達(dá)到維持電流為止的電流時間。在這段時間內(nèi)仍有殘存的載流子被抽出，但是陽極電壓已建立；因此很容易由于過高的重加du/dt，使GTO關(guān)斷失效，這一點必須充分重視。

GTO的關(guān)斷損耗在下降時間t _f階段內(nèi)相當(dāng)集中，其瞬時功耗與尖峰電壓U_P有關(guān)。過大的瞬時功耗會出現(xiàn)類似晶體管二次擊穿的現(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)斷時的大部分功率損耗出現(xiàn)在尾部時間。在相同的關(guān)斷條件下，GTO型號不同，相應(yīng)的尾部電流起始值I_T1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_RG/dt會使尾部時間加長。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)入雪崩狀態(tài)。在雪崩期間，陰極產(chǎn)生反向電流。與陰極反向電流對應(yīng)的時間為雪崩時間t_BR，在這段時間內(nèi)，陽極仍有尾部電流，門極繼續(xù)從陽極抽出電流。門極負(fù)電流中既有從陽極抽出的電流又有陰極反向電流。如果門極實際承受的反向電流不超過門極雪崩電壓U_GR，則不會出現(xiàn)陰極反向電流。實際應(yīng)用中，多數(shù)情況下不使門極-陰極結(jié)產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象，以防止因雪崩電流過大而損壞門極-陰極結(jié)。

　　除了以上特別提出討論的幾個工作特性外，GTO的其他工作特性及參數(shù)都與普通晶閘管沒有多少差別，這里不再贅述。