可關(guān)斷晶閘管(GTO)

　　門(mén)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(shí)，如果有陽(yáng)極正向電壓，在其門(mén)極加上正向觸發(fā)脈沖電流后，GTO可由斷態(tài)轉入通態(tài)，已處于通態(tài)時(shí)，門(mén)極加上足夠大的反向脈沖電流，GTO由通態(tài)轉入斷態(tài)。由于不需用外部電路強迫陽(yáng)極電流為0而使之關(guān)斷，僅由門(mén)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變換電路中應用時(shí)不必設置強迫關(guān)斷電路。這就簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)器件。

一、結構與工作原理

1、 結構

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于圖1中。圖1中A、G和K分別表示GTO的陽(yáng)極、門(mén)極和陰極。α1為P₁N₁P₂晶體管的共基極電流放大系數，α2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(dòng)方向。通常α1比α2小，即P₁N₁P₂晶體管不靈敏，而N₂P₂N₁晶體管靈敏。GTO導通時(shí)器件總的放大系數α1+α2稍大于1，器件處于臨界飽和狀態(tài)，為用門(mén)極負信號去關(guān)斷陽(yáng)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(yáng)極、門(mén)極和陰極，構成一個(gè)單元器件。GTO稱(chēng)為GTO元，它們的門(mén)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(shí)現門(mén)極控制關(guān)斷所采取的特殊設計。

　　GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程與每一個(gè)GTO元密切相關(guān)，但GTO元的特性又不等同于整個(gè)GTO器件的特性，多元集成使GTO的開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生了一系列新的問(wèn)題。

2、  開(kāi)通原理

　　由圖1（b）所示的等效電路可以看出，當陽(yáng)極加正向電壓，門(mén)極同時(shí)加正觸發(fā)信號時(shí)，GTO導通，其具體過(guò)程如圖2所示。

　　顯然這是一個(gè)正反饋過(guò)程。當流入的門(mén)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(shí)，α1和α2增加。當α1+α2>1之后，兩個(gè)晶體管均飽和導通，GTO則完成了導通過(guò)程?？梢?jiàn)，GTO開(kāi)通的必要條件是

　　α1+α2>1，        （1）

　　此時(shí)注入門(mén)極的電流

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

　　式中，I_A——GTO的陽(yáng)極電流；

　　      I_G——GTO的門(mén)極電流。

　　由式（2）可知，當GTO門(mén)極注入正的電流I_G但尚不滿(mǎn)足開(kāi)通條件時(shí)，雖有正反饋作用，但器件仍不會(huì )飽和導通。這是因為門(mén)極電流不夠大，不滿(mǎn)足α1+α2>1的條件，這時(shí)陽(yáng)極電流只流過(guò)一個(gè)不大而且是確定的電流值。當門(mén)極電流IG撤銷(xiāo)后，該陽(yáng)極電流也就消失。與α1+α2=1狀態(tài)所對應的陽(yáng)極電流為臨界導通電流，定義為GTO的擎住電流。當GTO在門(mén)極正觸發(fā)信號的作用下開(kāi)通時(shí)，只有陽(yáng)極電流大于擎住電流后，GTO才能維持大面積導通。{{分頁(yè)}}

　　由此可見(jiàn)，只要能引起α1和α2變化，并使之滿(mǎn)足α1+α2>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(mén)極電流使GTO導通外，在一定條件下過(guò)高的陽(yáng)極電壓和陽(yáng)極電壓上升率du/dt，過(guò)高的結溫及火花發(fā)光照射等均可能使GTO觸發(fā)導通。所有這些非門(mén)極觸發(fā)都是不希望的非正常觸發(fā)，應采取適當措施加以防止。

　　實(shí)際上，因為GTO是多元集成結構，數百個(gè)以上的GTO元制作在同一硅片上，而GTO元的特性總會(huì )存在差異，使得GTO元的電流分布不均，通態(tài)壓降不一，甚至會(huì )在開(kāi)通過(guò)程中造成個(gè)別GTO元的損壞，以致引起整個(gè)GTO的損壞。為此，要求在制造時(shí)盡可能使硅片微觀(guān)結構均勻，嚴格控制工藝裝備和工藝過(guò)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(mén)極觸發(fā)電流脈沖上升沿陡度，以求達到縮短GTO元陽(yáng)極電流滯后時(shí)間，加速GTO元陰極導電面積的擴展，縮短GTO開(kāi)通時(shí)間的目的。

3、  關(guān)斷原理

　　GTO開(kāi)通后可在適當外部條件下關(guān)斷，其關(guān)斷電路原理與關(guān)斷時(shí)的陽(yáng)極和門(mén)極電流如圖3所示。關(guān)斷GTO時(shí)，將開(kāi)關(guān)S閉合，門(mén)極就施以負偏置電壓U_G。晶體管P₁N₁P₂的集電極電流I_C1被抽出形成門(mén)極負電流-I_G，此時(shí)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，最終導致GTO的陽(yáng)極電流消失而關(guān)斷。

　　GTO的關(guān)斷過(guò)程分為三個(gè)階段：存儲時(shí)間（t _s）階段，下降時(shí)間(t _f)階段，尾部時(shí)間(t _t )階段。關(guān)斷過(guò)程中相應的陽(yáng)極電流i_A、門(mén)極電流i_G、管壓降u_AK和功耗P_off隨時(shí)間的變化波形如圖3(b)所示。

　?。?）  t _s階段。GTO導電時(shí)，所有GTO元中兩個(gè)等效晶體管均飽和，要用門(mén)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(mén)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(gè)PN結都還是正向偏置；所以在門(mén)極抽出存儲電荷的同時(shí)，GTO陽(yáng)極電流i_A仍保持原先穩定導電時(shí)的數值I_A，管壓降u _AK也保持通態(tài)壓降。

　?。?）  t _f階段。經(jīng)過(guò)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i_G變化到其最大值-I_GM時(shí)，陽(yáng)極電流開(kāi)始下降，于是α1和α2也不斷減小，當α1+α2≤1時(shí)，器件內部正反饋作用停止，稱(chēng)此點(diǎn)為臨界關(guān)斷點(diǎn)。GTO的關(guān)斷條件為

　　α1+α2<1，   （3）

　　關(guān)斷時(shí)需要抽出的最大門(mén)極負電流-I_GM為

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

　　式中，I_ATO——被關(guān)斷的最大陽(yáng)極電流；

 　　I_GM——抽出的最大門(mén)極電流。

　　由式（4）得出的兩個(gè)電流的比表示GTO的關(guān)斷能力，稱(chēng)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(gè)重要的特征參數，其值一般為3~8。

　　在t_f階段，GTO元中兩個(gè)等效晶體管從飽和退出到放大區；所以隨著(zhù)陽(yáng)極電流的下降，陽(yáng)極電壓逐步上升，因而關(guān)斷時(shí)功耗較大。在電感負載條件下，陽(yáng)極電流與陽(yáng)極電壓有可能同時(shí)出現最大值，此時(shí)的瞬時(shí)關(guān)斷損耗尤為突出。{{分頁(yè)}}

　?。?）  t _t階段。從GTO陽(yáng)極電流下降到穩定導通電流值的10%至陽(yáng)極電流衰減到斷態(tài)漏電流值時(shí)所需的時(shí)間定義為尾部時(shí)間t _t。

　　在t _t階段中，如果U_AK上升du/dt較大時(shí)，可能有位移電流通過(guò)P₂N₁結注入P₂基區，引起兩個(gè)等效晶體管的正反饋過(guò)程，輕則出現I_A的增大過(guò)程，重則造成GTO再次導通。隨著(zhù)du/dt上升減慢，陽(yáng)極電流I_A逐漸衰減。

　　如果能使門(mén)極驅動(dòng)負脈沖電壓幅值緩慢衰減，在t _t階段，門(mén)極依舊保持適當負電壓，則t _t時(shí)間可以縮短。

二、特性與參數

1、  靜態(tài)特性

（1）陽(yáng)極伏安特性

　　GTO的陽(yáng)極伏安特性如圖4所示。當外加電壓超過(guò)正向轉折電壓U_DRM時(shí)，GTO即正向開(kāi)通，這種現象稱(chēng)做電壓觸發(fā)。此時(shí)不一定破壞器件的性能；但是若外加電壓超過(guò)反向擊穿電壓U<, /SPAN>_RRM之后，則發(fā)生雪崩擊穿現象，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(yáng)極耐壓與結溫和門(mén)極狀態(tài)有著(zhù)密切關(guān)系，隨著(zhù)結溫升高，GTO的耐壓降低，如圖5所示。當GTO結溫高于125℃時(shí)，由于α1和α2大大增加，自動(dòng)滿(mǎn)足了α1+α2>1的條件；所以不加觸發(fā)信號GTO即可自行開(kāi)通。為了減小溫度對阻斷電壓的影響，可在其門(mén)極與陰極之間并聯(lián)一個(gè)電阻，即相當于增設了一短路發(fā)射極。

　　GTO的陽(yáng)極耐壓還與門(mén)極狀態(tài)有關(guān)，門(mén)極電路中的任何毛刺電流都會(huì )使陽(yáng)極耐壓降低，開(kāi)通后又會(huì )使GTO擎住電流和管壓降增大。圖（6）表示門(mén)極狀態(tài)對GTO陽(yáng)極耐壓的影響，圖(6)中i_G1和 i_G2相當于毛刺電流，i_G0<i_G1<i_G2。顯然，當門(mén)極出現i_G1或i_G2時(shí)，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(tài)壓降特性

　　GTO的通態(tài)壓降特性如圖（7）所示。結溫不同，GTO的通態(tài)壓降U_A隨著(zhù)陽(yáng)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(xiàn)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(yè)}}

2、  動(dòng)態(tài)特性

　　GTO的動(dòng)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(guò)程中，電壓、電流以及功率損耗隨時(shí)間變化的規律。

（1） GTO的開(kāi)通特性

GTO的開(kāi)通特性如圖(8)所示。當陽(yáng)極施以正電壓，門(mén)極注入一定電流時(shí)，陽(yáng)極電流大于擎住電流之后，GTO完全導通。開(kāi)通時(shí)間t_on由延遲時(shí)間表t_d和上升時(shí)間t_r組成。t_on的大小取決于元件特性、門(mén)極電流上升率di_G/dt以及門(mén)極脈沖幅值的大小。

　　由圖可知，在延遲時(shí)間內功率損耗比較小，大部分的開(kāi)通損耗出現在上升時(shí)間內。當陽(yáng)極電壓一定時(shí)，每個(gè)脈沖GTO開(kāi)通損耗將隨著(zhù)峰值陽(yáng)極電流I_A的增加而增加。

（2） GTO的關(guān)斷特性

　　GTO的門(mén)極、陰極加適當負脈沖時(shí)，可關(guān)斷導通著(zhù)的GTO陽(yáng)極電流。關(guān)斷過(guò)程中陽(yáng)極電流、電壓及關(guān)斷功率損耗隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，以及關(guān)斷過(guò)程中門(mén)極電流、電壓及陽(yáng)極電流、電壓隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)如圖(9)所示。

　　由圖（9）可以看出，整個(gè)關(guān)斷過(guò)程可由3個(gè)不同的時(shí)間間隔來(lái)表示，即存儲時(shí)間t _s、下降時(shí)間t _f和尾部時(shí)間t _t。存儲時(shí)間t _s對應著(zhù)從關(guān)斷過(guò)程開(kāi)始，到出現α1+α2=1狀態(tài)為止的一段時(shí)間間隔，在這段時(shí)間內從門(mén)極抽出大量過(guò)剩載流子，GTO的導通區不斷被壓縮，但總的電流幾乎不變。下降時(shí)間t _f對應著(zhù)陽(yáng)極電流迅速下降，門(mén)極電流不斷上升和門(mén)極反電壓開(kāi)始建立的過(guò)程，在這段時(shí)間里，GTO中心結開(kāi)始退出飽和，繼續從門(mén)極抽出載流子。尾部時(shí)間t _t則是指從陽(yáng)極電流降到極小值開(kāi)始，直到最終達到維持電流為止的電流時(shí)間。在這段時(shí)間內仍有殘存的載流子被抽出，但是陽(yáng)極電壓已建立；因此很容易由于過(guò)高的重加du/dt，使GTO關(guān)斷失效，這一點(diǎn)必須充分重視。

GTO的關(guān)斷損耗在下降時(shí)間t _f階段內相當集中，其瞬時(shí)功耗與尖峰電壓U_P有關(guān)。過(guò)大的瞬時(shí)功耗會(huì )出現類(lèi)似晶體管二次擊穿的現象，造成GTO損壞。在實(shí)際應用中應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(yáng)極電流急劇減小以后，呈現出一個(gè)緩慢衰減的尾部電流。由于此時(shí)陽(yáng)極電壓已經(jīng)升高，因此GTO關(guān)斷時(shí)的大部分功率損耗出現在尾部時(shí)間。在相同的關(guān)斷條件下，GTO型號不同，相應的尾部電流起始值I_T1和尾部電流的持續時(shí)間均不同。在存儲時(shí)間內過(guò)大的門(mén)極反向電流上升率di_RG/dt會(huì )使尾部時(shí)間加長(cháng)。此外，過(guò)高的重加du/dt會(huì )使GTO因瞬時(shí)功耗過(guò)大而在尾部時(shí)間內損壞器件。因此必須很好地控制重加du/dt，設計適當的緩沖電路。一般來(lái)說(shuō)，GTO關(guān)斷時(shí)總的功率損耗隨陽(yáng)極電流的增大而增大，隨緩沖電容的增加而減小。

　　門(mén)極負電流、負電壓波形是GTO特有的門(mén)極動(dòng)態(tài)特性，如圖(9)所示。門(mén)極負電流的最大值隨陽(yáng)極可關(guān)斷電流的增大而增大。門(mén)極負電流增長(cháng)的速度與門(mén)極所加負電壓參數有關(guān)。如果在門(mén)極電路中有較大的電感，會(huì )使門(mén)極-陰極結進(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的時(shí)間為雪崩時(shí)間t_BR，在這段時(shí)間內，陽(yáng)極仍有尾部電流，門(mén)極繼續從陽(yáng)極抽出電流。門(mén)極負電流中既有從陽(yáng)極抽出的電流又有陰極反向電流。如果門(mén)極實(shí)際承受的反向電流不超過(guò)門(mén)極雪崩電壓U_GR，則不會(huì )出現陰極反向電流。實(shí)際應用中，多數情況下不使門(mén)極-陰極結產(chǎn)生雪崩現象，以防止因雪崩電流過(guò)大而損壞門(mén)極-陰極結。

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