1、門極可斷晶閘管(gateturn-offthyristor,gto)是一種具有自斷能力的晶閘管。處丁斷態時，如果有陽極正向電壓，在其門極加上正向觸發脈沖電流后,gto可由斷態轉入通態，已處丁通態時，門極加上足夠大的反向脈沖電流,GTO由通態轉入斷態。由丁不需用外部電路強迫陽極電流為0而使之關斷，僅由門極加脈沖電流去關斷它；所以在直流電源供電的DCDC,DCAC變換電路中應用時不必設置強迫關斷電路。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器件一、結構與工作原理1、結構XX吾構等效電路推)

2、四阻擇尋LJL袂項:結構、等竺跳及絲瞥GTO是一種PNPN4層結構的半導體器件，其結構、等效電路及圖形符號示丁圖1中。圖1中A、G和K分別表示GTO的陽極、門極和陰極。a1為PiNiP2晶體管的共基極電流放大系數，見為N2P2N1晶體管的共基極電流放大系數，圖1中的箭頭表示各自的多數載流子運動方向。通常a1比c2小，即PiNiP2晶體管不靈敏，而N2P2N1晶體管靈敏。GTO導通時器件總的放大系數a1+如稍大丁1,器件處丁臨界飽和狀態，為用門極負信號去關斷陽極電流提供了可能性。普通晶閘管SCR也是PNPN4層結構，外部引出陽極、門極和陰極，構成一個單元器件。GTO稱為GTO元，它們的門極和陰極

3、分別并聯在一起。與SCR不同，GTO是一種多元的功率集成器件，這是為便丁實現門極控制關斷所采取的特殊設計。GTO的開通和關斷過程與每一個GTO元密切相關，但GTO元的特性乂不等同丁整個GTO器件的特性，多元集成使GTO的開關過程產生了一系列新的問題。2、開通原理liltA1圖2開通過程由圖1b所示的等效電路可以看出，當陽極加正向電壓，門極同時加正觸發信號時，GTO導通，其具體過程如圖2所示。顯然這是一個正反饋過程。當流入的門極電流Ig足以使晶體管N2P2N1的發射極電流增加，進而使晶體管PiNiP2的發射極電流也增加時，d和c2增加。當a1+如>1之后，兩個晶體管均飽和導通，GTO則完成

4、了導通過程。可見，GTO開通的必要條件是a1+o2>1,1此時注入門極的電流Ig=1-a1+o2Ia/22式中，Iagto的陽極電流；IGGTO的門極電流。由式2可知，當gto門極注入正的電流Ig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通。這是因為門極電流不夠大，不滿足a1+o2>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。當門極電流IG撤銷后，該陽極電流也就消失。與a1+o2=1狀態所對應的陽極電流為臨界導通電流，定義為GTO的擎住電流。當GTO在門極正觸發信號的作用下開通時，只有陽極電流大丁擎住電流后，GTO才能維持大面積導通。(分貞由此可見，只要能

5、引起a1和a2變化，并使之滿足od+g2>1條件的任何因素，都可以導致PNPN4層器件的導通。所以，除了注入門極電流使gto導通外，在一定條件下過高的陽極電壓和陽極電壓上升率du/dt,過高的結溫及火花發光照射等均可能使GTO觸發導通。所有這些非門極觸發都是不希望的非正常觸發，應采取適當措施加以防止。實際上，因為GTO是多元集成結構，數白個以上的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，通態壓降不一，甚至會在開通過程中造成個別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構均勻，嚴格控制工藝裝備和工藝過程，以求最大

6、限度地到達所有GTO元的特性的一致性。另外，要提高正向門極觸發電流脈沖上升沿陡度，以求到達縮短GTO元陽極電流滯后時問，加速GTO元陰極導電面積的擴展，縮短GTO開通時間的目的。3、關斷原理A丁(ai美新過岸等效電跆仆芫眇讓&波膽GTO美斷電I#與美斷過程波形GTO開通后可在適當外部條件下關斷，其關斷電路原理與關斷時的陽極和門極電流如圖3所小。關斷GTO時，將開關S閉合，門極就施以負偏置電壓Ug。晶體管P1N1P2的集電極電流lei被抽出形成門極負電流-IG,此時晶體管N2P2N1的基極電流減小，進而引起IC1的進步下降，如此循環不已，最終導致GTO的陽極電流消失而關斷。GTO的關斷過

7、程分為三個階段:存儲時間ts階段，下降時間(tf)階段,尾部時間(tt)階段。關斷過程中相應的陽極電流iA、門極電流iG、管壓降UAK和功耗Poff隨時間的變化波形如圖3(b)所示。1ts階段。GTO導電時，所有GTO元中兩個等效晶體管均飽和，要用門極控制GTO關斷，首先必須使飽和的等效晶體管退出飽和，恢復基區控制能力。為此應排除P2基區中的存儲電荷，ts階段即是依靠門極負脈沖電壓抽出這部分存儲電荷。在ts階段所有等效晶體管均未退出飽和，3個PN結都還是正向偏置；所以在門極抽出存儲電荷的同時，GTO陽極電流iA仍保持原先穩定導電時的數值Ia,管壓降UAK也保持通態壓降。2tf階段。經過ts階段

8、后，PlNlP2等效晶體管退出飽和，N2P2N1晶體管也恢復了控制能力，當iG變化到其最大值-IGM時，陽極電流開始下降，丁是al和如也不斷減小，當a1+c2V1時，器件內部正反饋作用停止，稱此點為臨界關斷點。GTO的關斷條件為a1+o2<1,3關斷時需要抽出的最大門極負電流-IGM為I-1gm|>a1+a-1lato/o2,4式中，Iato被關斷的最大陽極電流；lGM抽出的最大門極電流。由式4得出的兩個電流的比表小GTO的關斷能力，稱為電流關斷增益，用fkf表示如下：撕=1ato/|-Igm|o5仿ff是一個重要的特征參數，其值一般為38。在tf階段，GTO元中兩個等效晶體管從飽

9、和退出到放大區；所以隨著陽極電流的下降，陽極電壓逐步上升，因而關斷時功耗較大。在電感負載條件下，陽極電流與陽極電壓有可能同時出現最大值，此時的瞬時關斷損耗尤為突出。分貞3tt階段。從GTO陽極電流下降到穩定導通電流值的10%至陽極電流衰減到斷態漏電流值時所需的時間定義為尾部時間tto在tt階段中，如果Uak上升du/dt較大時，可能有位移電流通過P2N1結注入P2基區，引起兩個等效晶體管的正反饋過程，輕則出現Ia的增大過程，重則造成GTO再次導通。隨著du/dt上升減慢，陽極電流IA逐漸衰減。如果能使門極驅動負脈沖電壓幅值緩慢衰減，在tt階段，門極依舊保持適當負電壓，貝Utt時間可以縮短。二、

10、特性與參數1、靜態特性1陽極伏安特性GTO的陽極伏安特性如圖4所示。當外加電壓超過正向轉折電壓Udrm時,GTO即正向開通，這種現象稱做電壓觸發。此時不一定破壞器件的性能；但是假設外加電壓超過反向擊穿電壓U<,/SPAN>rrm之后，則發生雪崩擊穿現象，極易損壞器件。用90%UDRM值定義為正向額定電壓，用90%Urrm值定義為反向額定電壓。GTO的陽極耐壓與結溫和門極狀態有著密切關系，隨著結溫升高，GTO的耐壓降低，如圖5所示。當GTO結溫高丁125C時，由丁a1和o2大大增加，自動滿足了a1+如>1的條件；所以不加觸發信號GTO即可自行開通。為了減小溫度對阻斷電壓的影響，

11、可在其門極與陰極之間并聯一個電阻，即相當丁增設了一短路發射極。100事船GTO的陽極耐壓還與門極狀態有關，門極電路中的任何毛刺電流都會使世SGTOCH極耐廳勺佑tti的關髓陽極耐壓降低，開通后乂會使GTO擎住電流和管壓降增大。圖6表示門極狀態對GTO陽極耐壓的影響，圖中iG1和iG2相當丁毛刺電流，iG0<iG1<iG2。顯然，當門極出現iG1或iG2時，GTO正向轉折電壓大大降低，因而器件的正向額定電壓相應降低。2通態壓降特性GTO的通態壓降特性如圖7所示。結溫不同，GTO的通態壓降UA隨著陽極通態電流Ia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

12、態壓降特性。一般希望通態壓降越小越好；管壓降小,GTO的通態損耗小。（分貞yj,j工'瀕、'IF2JOES!GTO的通善壓降精性10Q2、動態特性四6門校很忐耐fit楹岫原的球的GTO的動態特性是指GTO從斷態到通態、從通態到斷態的變化過程中，電壓、電流以及功率損耗隨時間變化的規律。1GTO的開通特性圖8GTO的開通特性gto的開通特性如圖（8）所示。當陽極施以正電壓，門極注入一定電流時，陽極電流大丁擎住電流之后，GTO完全導通。開通時間ton由延遲時間表td和上升時間tr組成。ton的大小取決丁兀件特性、門極電流上升率diG/dt以及門極脈沖幅值的大小。由圖可知，在延遲時間內

13、功率損耗比較小，大部分的開通損耗出現在上升時間內。當陽極電壓一定時，每個脈沖GTO開通損耗將隨著峰值陽極電流Ia的增加而增加。2GTO的關斷特性GTO的門極、陰極加適當負脈沖時，可關斷導通著的GTO陽極電流。關斷過程中陽極電流、電壓及關斷功率損耗隨時間變化的曲線，以及關斷過程中門極電流、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，整個關斷過程可由3個不同的時間間隔來表示，即存儲時間ts、下降時間tf和尾部時間tt。存儲時間ts對應著從關斷過程開始，到出現a1+«2=1狀態為止的一段時間間隔，在這段時間內從門極抽出大量過剩載流子，GTO的導通區不斷被壓縮，但總的

14、電流幾乎不變。下降時問tf對應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中心結開始退出飽和，繼續從門極抽出載流子。尾部時間tt則是指從陽極電流降到極小值開始，直到最終到達維持電流為止的電流時間。在這段時間內仍有殘存的載流子被抽出，但是陽極電壓已建立；因此很容易由丁過高的重加du/dt，使GTO關斷失效，這一點必須充分重視。GTO的基本結構和工作原理GTO的基本結構GTO是一種電流控制型的自關斷雙極器件，當門極引入正向電流時導通，弓I入反向電流是關斷，但不能像GTR那樣在門極信號撤除時也能自行關斷。這就是說，GTO跟普通晶閘管一樣，一旦導通即能在導通狀態

15、下自鎖Latch-up，是一種必須靠門極電流的極性變化來改變通斷狀態的晶閘管。IM圖3-1GTO并聯單元結構的斷面示意圖GTO的基本結構與基本工作原理與普通晶閘管大同小異，只是為了實現門極關斷和提高門極的控制能力而擴大了P基區（門極區）對N+發射區陰極區的相對面積，并將N+發射區化整為零，分置與P區環繞之中，這些別離開的微小N+發射區通過共用P基區，N+基區，P發射區，形成GTO的管芯的全部晶閘管單元，每個單元晶閘管各有其獨立的陰極，通常用壓接方式把他們并聯丁同一陰極壓塊上。GTO的陽極通常是燒結在公共P發射區外表的鉗片或鴇片，而門極則是淀積在P基區外表的梳狀鋁層。對丁面積較大的圓形芯片，門極

16、可做成多級同心梳狀環，梳齒與排成環狀的單元相問。其中圖31所示為GTO管芯的局部斷面示意圖。GTO的陰極和門極并不在同一平面上，這有利丁陰極的壓接和門極的引出。同時，每個晶閘管單元為J3結通過臺面造型也改善了結外表的電壓阻斷能力。由此可見，GTO的制造工藝比普通晶閘管的制造工藝精細的多，復雜的多。GTO的工作原理GTO同普通晶閘管在結構上的主要區別，除了化整為零這一點外，還有兩個顯著之點。其一是GTO用門極包圍陰極，而普通晶閘管用陰極包圍門極，不管是中央門極結構還是放射狀門極結構；其二是GTO沒有陰極短路點。為了改善GTO關斷特性和高溫特性，有在陽極設短路點的所謂陽極短路型GTO,這種GTO的

17、反向阻斷能力較差。就每個單元而言，GTO的開通過程與普通晶閘管完全相同，也是靠門極注入正向電流來滿足導通條件：m+漂1，并且也是在N+發射區鄰近門極的邊沿首先導通，然后通過等離子體擴展實現全面導通，略有不同的是，GTO的導通是同時在各個單元里發生的，等離子體在各個單元里同時從邊沿向中心擴展，而普通晶閘管作為一個完整的大單元來開通，等離子體的擴展面積要大的多。GTO的關斷過程也是在各個單元里同時進行的，但其關斷方式和原理與普通晶閘管不同，它是靠反偏門極對P基區中空穴的抽取來實現關斷的。對丁晶閘管類型的器件來說，P基區中的等離子體是維持導通的必要條件。當等離子體中的空穴隨著門極負電流流走時，J2結

18、和J3結的正偏條件被消弱，N+發射區通過J3結向P基區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，停止額外電子的注入。當然，這個過程也是在每個單元里從邊沿向中心逐漸推進的，等離子體從外向里逐漸縮小，J3結從外向里逐漸恢復阻斷作用。當等離子體收縮到一定限度時，J3結仍然保持正偏狀態的中央部分有限的注入已難以通過內部電流的再生正反饋作用維持整個單元的導通狀態，丁是J3結恢復反偏狀態，GTO的每個單元都恢復了J2結的反向阻斷能力時即被關斷。GTO以P型門極為例是由PNPN四層半導體材料構成，其三個電極分別為陽極A、陰極K和門極G,圖3-2是其結構及電路圖形符號。k圖3-2GTO的結構、等效

19、電路及圖形符號當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，晶閘管都不會導通。當在晶閘管的陽極與陰極之間加正向電壓時，假設在控制極與陰極之間沒有電壓或加反向電壓，晶閘管還是不會導通。只有當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，晶閘管才會導通。但晶閘管一旦導通，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，則晶閘管就維持導通。電特性，即當其陽極A、陰極K兩端為正向電壓，在門極G上加正的觸發電壓時，晶閘管將導通,導通方向AK。當GTO處丁導通狀態，假設在其門極G上加一個適當負電壓，則能使導通的晶閘管關斷普通晶閘管在靠門極正電壓觸發之后,撤掉觸發電壓也能維持導通，只有切斷電源使正向電流低丁維持電流或加上反向電壓，才能使其關斷圖9GTO的美斷特性+_次、上tGTO的關斷損耗在下降時間tf階段內相當集中，其瞬時功耗與尖峰電壓Up有關。過大的瞬時功耗會出現類似晶體管二