1、GTO的基本結構和工作原理thyristor,GT0）是一種具有自斷能力的晶閘管。處于斷態 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， GT0可由斷態轉入通態，已處于通態時，門極加上足夠大的反向脈 沖電流，GT0由通態轉入斷態。由于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，GT0 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GT0是一種PNPN4層結

2、構的半導體器件，其結構、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GT0的陽極、門極和陰極。Q1為P1N1P2 晶體管的共基極電流放大系數，。2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a 1比Q 2小，即P1N1P2晶體管不靈敏，而N2P2N1晶體管靈 敏。GT0導通時器件總的放大系數。1+。2稍大于1,器件處于臨 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。GT0稱為GT0元，它們的門極和陰極分 別并聯在一起。與SCR不同，GTO是一

3、種多元的功率集成器件，這 是為便于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 特性又不等同于整個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、開通原理由圖1 (b)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P1N1P2的發射極電 流也增加時，和&2增加。當q1+q2>1之后，兩個晶體管均 飽和導通，GTO則完成了導通過程。可見，GTO開通的必要條

4、件是a 1+a 2>1,(1)此時注入門極的電流IG=1- ( a 1+a 2) IA/ a 2 (2)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a 1+a 2>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Q 1+。2=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，只有陽極電流大于擎住電流后，GTO才能維持大面積導 通。

5、分頁由此可見，只要能引起Q1和。2變化，并使之滿足a 1+a 2>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

6、勻，嚴格控制工藝裝備和工藝過程，以求最 大限度地達到所有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，以求達到縮短GTO元陽極電流滯后 時間，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所示。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IC1被抽 出形成門極負電流TG,此時晶體管N2P2N1的基極電流減小，進 而引起IC1的進一步下降，如此循環不已，最終導致GTO的陽極 電流消失而關斷。GTO的關斷過程分為三個階段：存儲

7、時間(t s)階段，下降 時間(t f)階段，尾部時間(t t )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。(1) t s階段。GT0導電時，所有GT0元中兩個等效晶體管 均飽和，要用門極控制GT0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，t s階段即是依靠門極負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結都還是正向偏 置；所以在門極抽出存儲電荷的同時，GT0陽極電流iA仍保持原 先穩定導電時的數值IA,管壓降u AK也保持通態壓降。(

8、2) t f階段。經過t s階段后，P1N1P2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，于是Q1和也不斷減小，當 al+a2l時，器件內部正反饋作用停止，稱此點為臨界關斷 點。GT0的關斷條件為a 1+a 2<1,(3)關斷時需要抽出的最大門極負電流TGM為|-IGM|> ( a 1+a ) -1 I ATO/a 2,(4)式中，IATO被關斷的最大陽極電流；IGM抽出的最大門極電流。由式(4)得出的兩個電流的比表示GTO的關斷能力，稱為電 流關斷增益，用B off表示如下:Poff=IAT0/|-IGM|o(5

9、)B off是一個重要的特征參數，其值一般為38。在tf階段，GT0元中兩個等效晶體管從飽和退出到放大區； 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。分頁(3) t t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 t to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GT0再次導通。隨著 du/dt上升減慢，陽極電流

10、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，則t t時間可以縮短。二、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；但是若外加電壓超過反向擊穿電壓IK, /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結溫高于1259時，由

11、 于a 1和Q 2大大增加，自動滿足了 a 1+Q 2>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，可在其門極與陰極之間并聯一個電阻，即相當于增設了一短 路發射極。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）表示門極狀態對GTO陽極耐壓的影響，圖（6）中iGl 和iG2相當于毛刺電流，iG0<iGl<iG2o顯然，當門極出現iGl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

12、。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。分頁2、動態特性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。(1) GTO 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，陽極電流大于擎住電流之后，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 決于元件特性、門極電流上升率diG/dt以及門極脈沖幅值的大 小

13、。由圖可知，在延遲時間內功率損耗比較小，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GT0開通損 耗將隨著峰值陽極電流IA的增加而增加。(2) GT0的關斷特性GT0的門極、陰極加適當負脈沖時，可關斷導通著的GT0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t s、下降時間t f和 尾部時間t to存儲時間t s對應著從關斷過程開始，到出現 « 1+«2=1狀態為止的一段時間間隔，在這段

14、時間內從門極抽出大 量過剩載流子，GT0的導通區不斷被壓縮，但總的電流幾乎不變。 下降時間t f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，GT0中心結開始退出飽 和，繼續從門極抽出載流子。尾部時間t t則是指從陽極電流降 到極小值開始，直到最終達到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 容易由于過高的重加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，引入反向 電流是關斷，但不能像GTR那樣

15、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 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。圖3-1 GTO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，這些分離開的微小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于同一陰 極壓塊上。GTO

16、的陽極通常是燒結在公共P發射區表面的鑰片或鴇 片，而門極則是淀積在P基區表面的梳狀鋁層。對于面積較大的 圓形芯片，門極可做成多級同心梳狀環，梳齒與排成環狀的單元 相間。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，這有利于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表面 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。3、1、2 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

17、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：« l+a2>l,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

18、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。對于晶閘 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，于是J3結恢復反偏狀態，

19、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。圖3- 2 GTO的結構、等效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，若在控制極 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A-K。當GTO處于導通狀態，若在其門 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于維持電流或加上反向電壓，才能使其關 斷）GTO的關斷損耗在下降時間t f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次擊穿 的現象，造成G