可关断晶闸管(GTO)

　　门极可断晶闸管(gate turn-off thyristor,GTO)是一种具有自断能力的晶闸管。处于断态时，如果有阳极正向电压，在其门极加上正向触发脉冲电流后，GTO可由断态转入通态，已处于通态时，门极加上足够大的反向脉冲电流，GTO由通态转入断态。由于不需用外部电路强迫阳极电流为0而使之关断，仅由门极加脉冲电流去关断它；所以在直流电源供电的DC—DC，DC—AC变换电路中应用时不必设置强迫关断电路。这就简化了电力变换主电路，提高了工作的可靠性，减少了关断损耗，与SCR相比还可以提高电力电子变换的最高工作频率。因此，GTO是一种比较理想的大功率开关器件。

一、结构与工作原理

1、 结构

GTO是一种PNPN4层结构的半导体器件，其结构、等效电路及图形符号示于图1中。图1中A、G和K分别表示GTO的阳极、门极和阴极。α1为P₁N₁P₂晶体管的共基极电流放大系数，α2为N₂P₂N₁晶体管的共基极电流放大系数，图1中的箭头表示各自的多数载流子运动方向。通常α1比α2小，即P₁N₁P₂晶体管不灵敏，而N₂P₂N₁晶体管灵敏。GTO导通时器件总的放大系数α1+α2稍大于1，器件处于临界饱和状态，为用门极负信号去关断阳极电流提供了可能性。

　　普通晶闸管SCR也是PNPN4层结构，外部引出阳极、门极和阴极，构成一个单元器件。GTO称为GTO元，它们的门极和阴极分别并联在一起。与SCR不同，GTO是一种多元的功率集成器件，这是为便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。

　　GTO的开通和关断过程与每一个GTO元密切相关，但GTO元的特性又不等同于整个GTO器件的特性，多元集成使GTO的开关过程产生了一系列新的问题。

2、  开通原理

　　由图1（b）所示的等效电路可以看出，当阳极加正向电压，门极同时加正触发信号时，GTO导通，其具体过程如图2所示。

　　显然这是一个正反馈过程。当流入的门极电流I_G足以使晶体管N₂P₂N₁的发射极电流增加，进而使晶体管P₁N₁P₂的发射极电流也增加时，α1和α2增加。当α1+α2>1之后，两个晶体管均饱和导通，GTO则完成了导通过程。可见，GTO开通的必要条件是

　　α1+α2>1，        （1）

　　此时注入门极的电流

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

　　式中，I_A——GTO的阳极电流；

　　      I_G——GTO的门极电流。

　　由式（2）可知，当GTO门极注入正的电流I_G但尚不满足开通条件时，虽有正反馈作用，但器件仍不会饱和导通。这是因为门极电流不够大，不满足α1+α2>1的条件，这时阳极电流只流过一个不大而且是确定的电流值。当门极电流IG撤销后，该阳极电流也就消失。与α1+α2=1状态所对应的阳极电流为临界导通电流，定义为GTO的擎住电流。当GTO在门极正触发信号的作用下开通时，只有阳极电流大于擎住电流后，GTO才能维持大面积导通。{{分页}}

　　由此可见，只要能引起α1和α2变化，并使之满足α1+α2>1条件的任何因素，都可以导致PNPN4层器件的导通。所以，除了注入门极电流使GTO导通外，在一定条件下过高的阳极电压和阳极电压上升率du/dt，过高的结温及火花发光照射等均可能使GTO触发导通。所有这些非门极触发都是不希望的非正常触发，应采取适当措施加以防止。

　　实际上，因为GTO是多元集成结构，数百个以上的GTO元制作在同一硅片上，而GTO元的特性总会存在差异，使得GTO元的电流分布不均，通态压降不一，甚至会在开通过程中造成个别GTO元的损坏，以致引起整个GTO的损坏。为此，要求在制造时尽可能使硅片微观结构均匀，严格控制工艺装备和工艺过程，以求最大限度地达到所有GTO元的特性的一致性。另外，要提高正向门极触发电流脉冲上升沿陡度，以求达到缩短GTO元阳极电流滞后时间，加速GTO元阴极导电面积的扩展，缩短GTO开通时间的目的。

3、  关断原理

　　GTO开通后可在适当外部条件下关断，其关断电路原理与关断时的阳极和门极电流如图3所示。关断GTO时，将开关S闭合，门极就施以负偏置电压U_G。晶体管P₁N₁P₂的集电极电流I_C1被抽出形成门极负电流-I_G，此时晶体管N₂P₂N₁的基极电流减小，进而引起I_C1的进一步下降，如此循环不已，最终导致GTO的阳极电流消失而关断。

　　GTO的关断过程分为三个阶段：存储时间（t _s）阶段，下降时间(t _f)阶段，尾部时间(t _t )阶段。关断过程中相应的阳极电流i_A、门极电流i_G、管压降u_AK和功耗P_off随时间的变化波形如图3(b)所示。

　　（1）  t _s阶段。GTO导电时，所有GTO元中两个等效晶体管均饱和，要用门极控制GTO关断，首先必须使饱和的等效晶体管退出饱和，恢复基区控制能力。为此应排除P₂基区中的存储电荷，t _s阶段即是依靠门极负脉冲电压抽出这部分存储电荷。在t _s阶段所有等效晶体管均未退出饱和，3个PN结都还是正向偏置；所以在门极抽出存储电荷的同时，GTO阳极电流i_A仍保持原先稳定导电时的数值I_A，管压降u _AK也保持通态压降。

　　（2）  t _f阶段。经过t _s阶段后，P₁N₁P₂等效晶体管退出饱和，N₂P₂N₁晶体管也恢复了控制能力，当i_G变化到其最大值-I_GM时，阳极电流开始下降，于是α1和α2也不断减小，当α1+α2≤1时，器件内部正反馈作用停止，称此点为临界关断点。GTO的关断条件为

　　α1+α2<1，   （3）

　　关断时需要抽出的最大门极负电流-I_GM为

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

　　式中，I_ATO——被关断的最大阳极电流；

 　　I_GM——抽出的最大门极电流。

　　由式（4）得出的两个电流的比表示GTO的关断能力，称为电流关断增益，用β_off表示如下：β_off=I_ATO/|-I_GM|。      （5）

　　β_off是一个重要的特征参数，其值一般为3~8。

　　在t_f阶段，GTO元中两个等效晶体管从饱和退出到放大区；所以随着阳极电流的下降，阳极电压逐步上升，因而关断时功耗较大。在电感负载条件下，阳极电流与阳极电压有可能同时出现最大值，此时的瞬时关断损耗尤为突出。{{分页}}

　　（3）  t _t阶段。从GTO阳极电流下降到稳定导通电流值的10%至阳极电流衰减到断态漏电流值时所需的时间定义为尾部时间t _t。

　　在t _t阶段中，如果U_AK上升du/dt较大时，可能有位移电流通过P₂N₁结注入P₂基区，引起两个等效晶体管的正反馈过程，轻则出现I_A的增大过程，重则造成GTO再次导通。随着du/dt上升减慢，阳极电流I_A逐渐衰减。

　　如果能使门极驱动负脉冲电压幅值缓慢衰减，在t _t阶段，门极依旧保持适当负电压，则t _t时间可以缩短。

二、特性与参数

1、  静态特性

（1）阳极伏安特性

　　GTO的阳极伏安特性如图4所示。当外加电压超过正向转折电压U_DRM时，GTO即正向开通，这种现象称做电压触发。此时不一定破坏器件的性能；但是若外加电压超过反向击穿电压U<, /SPAN>_RRM之后，则发生雪崩击穿现象，极易损坏器件。

　　用90%U_DRM值定义为正向额定电压，用90%U_RRM值定义为反向额定电压。

　　GTO的阳极耐压与结温和门极状态有着密切关系，随着结温升高，GTO的耐压降低，如图5所示。当GTO结温高于125℃时，由于α1和α2大大增加，自动满足了α1+α2>1的条件；所以不加触发信号GTO即可自行开通。为了减小温度对阻断电压的影响，可在其门极与阴极之间并联一个电阻，即相当于增设了一短路发射极。

　　GTO的阳极耐压还与门极状态有关，门极电路中的任何毛刺电流都会使阳极耐压降低，开通后又会使GTO擎住电流和管压降增大。图（6）表示门极状态对GTO阳极耐压的影响，图(6)中i_G1和 i_G2相当于毛刺电流，i_G0<i_G1<i_G2。显然，当门极出现i_G1或i_G2时，GTO正向转折电压大大降低，因而器件的正向额定电压相应降低。

（2） 通态压降特性

　　GTO的通态压降特性如图（7）所示。结温不同，GTO的通态压降U_A随着阳极通态电流I_A的增加而增加，只是趋势不尽相同。图（7）中所示曲线为GFF200E型GTO的通态压降特性。一般希望通态压降越小越好；管压降小，GTO的通态损耗小。{{分页}}

2、  动态特性

　　GTO的动态特性是指GTO从断态到通态、从通态到断态的变化过程中，电压、电流以及功率损耗随时间变化的规律。

（1） GTO的开通特性

GTO的开通特性如图(8)所示。当阳极施以正电压，门极注入一定电流时，阳极电流大于擎住电流之后，GTO完全导通。开通时间t_on由延迟时间表t_d和上升时间t_r组成。t_on的大小取决于元件特性、门极电流上升率di_G/dt以及门极脉冲幅值的大小。

　　由图可知，在延迟时间内功率损耗比较小，大部分的开通损耗出现在上升时间内。当阳极电压一定时，每个脉冲GTO开通损耗将随着峰值阳极电流I_A的增加而增加。

（2） GTO的关断特性

　　GTO的门极、阴极加适当负脉冲时，可关断导通着的GTO阳极电流。关断过程中阳极电流、电压及关断功率损耗随时间变化的曲线，以及关断过程中门极电流、电压及阳极电流、电压随时间变化的曲线如图(9)所示。

　　由图（9）可以看出，整个关断过程可由3个不同的时间间隔来表示，即存储时间t _s、下降时间t _f和尾部时间t _t。存储时间t _s对应着从关断过程开始，到出现α1+α2=1状态为止的一段时间间隔，在这段时间内从门极抽出大量过剩载流子，GTO的导通区不断被压缩，但总的电流几乎不变。下降时间t _f对应着阳极电流迅速下降，门极电流不断上升和门极反电压开始建立的过程，在这段时间里，GTO中心结开始退出饱和，继续从门极抽出载流子。尾部时间t _t则是指从阳极电流降到极小值开始，直到最终达到维持电流为止的电流时间。在这段时间内仍有残存的载流子被抽出，但是阳极电压已建立；因此很容易由于过高的重加du/dt，使GTO关断失效，这一点必须充分重视。

GTO的关断损耗在下降时间t _f阶段内相当集中，其瞬时功耗与尖峰电压U_P有关。过大的瞬时功耗会出现类似晶体管二次击穿的现象，造成GTO损坏。在实际应用中应尽量减小缓冲电路的杂散电感，选择电感小的二极管及电容等元件，以便减小尖峰电压U_P。

　　阳极电流急剧减小以后，呈现出一个缓慢衰减的尾部电流。由于此时阳极电压已经升高，因此GTO关断时的大部分功率损耗出现在尾部时间。在相同的关断条件下，GTO型号不同，相应的尾部电流起始值I_T1和尾部电流的持续时间均不同。在存储时间内过大的门极反向电流上升率di_RG/dt会使尾部时间加长。此外，过高的重加du/dt会使GTO因瞬时功耗过大而在尾部时间内损坏器件。因此必须很好地控制重加du/dt，设计适当的缓冲电路。一般来说，GTO关断时总的功率损耗随阳极电流的增大而增大，随缓冲电容的增加而减小。

　　门极负电流、负电压波形是GTO特有的门极动态特性，如图(9)所示。门极负电流的最大值随阳极可关断电流的增大而增大。门极负电流增长的速度与门极所加负电压参数有关。如果在门极电路中有较大的电感，会使门极-阴极结进入雪崩状态。在雪崩期间，阴极产生反向电流。与阴极反向电流对应的时间为雪崩时间t_BR，在这段时间内，阳极仍有尾部电流，门极继续从阳极抽出电流。门极负电流中既有从阳极抽出的电流又有阴极反向电流。如果门极实际承受的反向电流不超过门极雪崩电压U_GR，则不会出现阴极反向电流。实际应用中，多数情况下不使门极-阴极结产生雪崩现象，以防止因雪崩电流过大而损坏门极-阴极结。

　　除了以上特别提出讨论的几个工作特性外，GTO的其他工作特性及参数都与普通晶闸管没有多少差别，这里不再赘述。