电气专业英语论文

专业英语

课程论文

院系名称：电气工程学院专业班级: 电气F1103班学生姓名：学号：

附件： 1.中文论文；2.外文论文。

成绩评定：

年月日

绝缘栅双极晶体管

亚历克斯问黄1

(1.弗吉尼亚理工学院暨州立大学，美国弗吉尼亚州)

摘要：通过对门极可关断晶闸管的产生背景，物理结构及其基本的工作原理的进一步探讨和研究，可以得出门极可关断晶闸管具有在门极施加负的脉冲电流使其关断的性能，并证明它是全控型器件。

关键词：门极可关断晶闸管；工作原理；单位关断增益；动态特性；静态特性；

1 引言

在20世纪50年代发明的可控硅整流器（SCR）【1】是第一个被投入使用的功率半导体开关。SCR 是一个闭锁装置，只有ON和OFF两个稳定状态。通过很小的门极触发电流使其从OFF状态转换成ON 状态的正反馈过程来启动装置。由于电子和空穴的注入，提供了强有力地电导调制，使得SCR能很好地权衡正向压降和阻断电压。另外从制造的角度看，SCR的结构很简单，因为它的门极可以被放置在一个小的区域，因此单一的SCR可以很容易地被扩展以增加设备的电流能力而没有太多的处理问题。然而可控硅不能通过门极控制其关断。

由于SCR的关断可控性的限制，门极可关断晶闸管（GTO）【2】后来得到发展。正如它的名称所表示的，GTO是一种通过门极控制其关断的装置。它的基本结构与SCR非常相似。然而在GTO中许多门极被放置在阴极的周围，这样在关断期间，闩锁机制可以通过门极控制来解除。因此GTO是全控型器件。到今天为止，GTO具有最高的额定功率和在阻断电压及任何全控开关导通损耗的最佳折衷。然而其动态性能很差，GTO在导通和关断时不快。它缺乏FBSOA且RBSOA较差，因此它需要缓冲器控制关断转换期间dv/dt的和导通转变期间的di/dt。

GTO晶闸管是全控型的功率半导体开关之一。它的功率应用范围从早期的低功率（低于100W）到数百兆瓦的高功率。一个最先进的GTO可在硅片上制成6英寸大小。其电流高达6.0KA，电压高达6.0KV.【3】该等级高于其他全控设备等级。

GTO的静态参数很好：具有传导低损耗，高阻断电压且由于集成化成本很低。但其动态性能很差。其关断和开通运行期间分别对dv/dt和di/dt 缓冲的要求及最小量的开通和关断次数使得GTO 难以使用。要提高GTO的动态性能，同时保持其良好的静态性能，很好地了解GTO的结构是必要的。在本章节我们将总结和讨论GTO的基本工作原理，其优点和缺点及决定其性能的结构。然后引入一个新的门极驱动概念，即单位关断增益。并分析和讨论这种新的驱动方法的优点。最后将总结已知的这种特殊驱动技术的使用方法。

2正文

2.1GTO的正向传导

图1.75a为一个典型的高功率GTO的微型结构和掺杂分布。图1.75b显示了两个晶体管GTO模型图。图1.75c是一幅4英寸的GTO图片。这是一个三端四层的PNPN结构。外部的p+层上的电极成为阳极，其电流通常流入设备。外部n+层上的电极称为阴极，内部的p层上的电极称为门极，被用作控制。

图1.75：（a）GTO元的结构和它的掺杂分布（b）晶闸管的双晶体管

模型 (c)4英寸GTO的外形

通过图1.75b所示的等效电路模型来理解GTO 的工作原理。PNP晶体管代表GTO的最高三层，而NPN晶体管代表GTO底部的三层。由于n层作为pnp 型的基极，npn型的集电极和内部的p层作为npn型的基极，pnp型的集电极使得两个晶体管交叉耦合。这种结构具有两个稳定状态：ON和OFF，这是由门控制。当电流从门-阴极注入GTO时，npn结构导通，它的集电极电流通过J1结流入GTO的阳极。由于J1是pnp结构的发射结，PNP型的集电极电流是npn的基极电流。因此，两个晶体管提供基极电流给对方，形成正反馈。直到他们达到自我维持的状态，俗称闭锁。高层次的少数载流子的注入可在锁定状态下从阳极到阴极，使得所有三个pn 结正向偏置。因此，从阳极到阴极存在高导电性，使高电流从阳极流动到阴极。图1.76所示为其导通过程。

图1.76 GTO导通及电流维持过程

在芯片级，J3结导通导致电子注入p基区。这些电子从p基极扩散，大多由反向偏置连接点J2结收集。为保持电流的连续性，结点J1处将供给电流，通过将空穴注入n区域。这些空穴的一部分，将扩散的n-区，并被J2结收集，导致在J3结流入更多的电子。当两个晶体管工作在足够的电流增益，一个正反馈机制是足以导致闭锁。

让npn和pnp的基极电流增益分别为apnp和anpn。通常情况，αp np低于anpn。因为pnp是宽基结构。电流流进GTO如图1.77所示。在J2结，电流由阴极侧注入是npnIK；由阳极侧注入是pnpIA。漏电流为IL。

图1.77 驱动电流流进GTO图

晶闸管结构可以维持其本身的阳极电流，只要两个晶体管共同的基极电流增益（αpnp + αnpn）之和趋近一致。对GTO ，αnpn设计的低，通常是为IG ，以确保其门极关断能力。这将在稍后讨论。与此自持能力，GTO的栅极并不需要提供很多电流，不需要非常接近其阴极不像在双极结型晶体（BJT）设计是必要的。一个典型的GTO元，示于图1.75.其维数是100〜150 微米宽。这相比微米和/或亚微米工艺被用于现代化的MOSFET和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是非常大的。大细胞大小的设计是符合成本效益的，并且使得可以制造大单芯片器件，以提高他们目前的能力。一个国家的最先进的GTO模具的直径是6英寸大。其关断电流能力可达6.0KV 【4】。图1.75显示的巨大的GTO是由ABB制造的。显示的GTO是一个4英寸硅晶片由成千上万的如图1.75所示的GTO元和所谓的压装或曲棍球冰球包中打包组成。

GTO的大细胞结构在开通过渡期间带来了电流扩展问题。当注入门极电流，首先发生在导通的门极附近。导通区域扩散在阴极的其余部分。这可以由称为扩展速度【5】的驱动速度定性。实验测量【6】出典型的扩展速度是5000厘米/秒。该速度也依赖于对GTO的设计参数，注入门极的导通电流及diG/dt。

由于这个扩展的速度，整个GTO元导通需要一段时间。为了避免过分强调首先开启的单元格的部分，阳极电流的增加率应加以限制。给GTO设定最大导通di / dt的限制。

GTO的主要优点是它的低正向压降和高电压阻断能力。这些可以被理解为两端的少数载流子注入机制的主要好处。对于高电压的GTO，厚且轻掺杂n基极是必要的（见图1.75）。正向电压在这种情况下，主要取决于由电阻电压降的电压阻挡区少数载流子发挥了重要作用。

图1.78（a）GTO和（b）IGBT电压阻挡区导通状态的少数载流子分布图1.78a所示是GTO中n-区的少数载流子的分