电力电子半导体器件GTO

电力电子半导体器件(GTO)

第六章可关断晶闸管（GTO）特点：是SCR的一种派生器件；具有SCR的全部优点，耐压高、

电流大、耐浪涌能力强，造价便宜；为全控型器件，工作频率

高，控制功率小，线路简单，使用方便。§6.1 GTO结构及工作原理Gate Turn-off Thyristor——GTO

一、结构：四层PNPN结构，三端器件；

特点：

①α1<

α212P1N1P2管不灵敏，

N1P2N2管灵敏。

②α1+

α2略大于1；器件

工作于临界饱和状态，

使关断成为可能。

③多元集成结构，由数

百个小GTO元

元元

元并联形成。由于GTO的多元结构，开通和关断过程与SCR不同，同时GTO

元的特性又不同于整个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。

二、GTO开通原理：

与SCR一样，由正反馈控制过程来实现。

其中：

开通条件：α1+

α2 > 1

定义：α1+

α2 = 1时，对应的阳极电流为临界导通电流。

——擎住电流由于α1、α2随射极电流增大而上升，当阳极电流未达到擎住电流时，α1+

α2<1，此时去掉门极电流IG，阳极电流也会消

失，管子不能维持导通。

注意：

①GTO多元集成结构，各GTO元特

性存在差异，开通过程中个别GTO

元的损坏，将引起整个GTO损坏。

要求GTO制作工艺严格，GTO元特要求GTO制作工艺严格，GTO元特

性一致性好。

②dv/dt、Tj、光照等因素会引起GTO误触发，应用中加以防止。

③驱动电路正向门极触发电流脉冲上升沿越陡，GTO元阳极电

流滞后时间越短，可加速GTO元阳极导电面积扩展，缩短开通

时间。三、GTO关断原理：如图关断等效电路

关断过程分为三个阶段：

存储时间阶段：ts下降阶段：

tf尾部阶段：tt①存储时间阶段：ts用门极负脉冲电压抽出P2基区的存储电荷阶段。

②下降阶段：tfIG变化到最大值－

IGM时，P1N1P2晶体管退出饱和，N1P2N2晶体管恢复控制能力，α1、α2不断减小，内部正反馈停止。

阳极电流开始下降，电压上升，关断损耗较大。尤其在感性

负载条件下，阳极电压、电流可能同时出现最大值，此时关负载条件下，阳极电压、电流可能同时出现最大值，此时关

断损耗尤为突出。

关断条件：α1+

α2<1ATOGMII2

211

)(

α

αα?

+

>?被关断的最大阳极电流电流关断增益：GM

ATO

offI

I

?

=

β一般：3~8③尾部阶段：tt此时，VAK上升，如果dv/dt较大，可能有位移电流通过P2N1结，引起等效晶体管的正反馈过程，严重会造成GTO再次导通，

轻则出现iA的增大过程。

如果能使门极驱动负脉冲电压幅值缓慢衰减，门极保持适当负电压，可缩短尾部时间。

四、GTO的失效原理：四、GTO的失效原理：

GTO失效是由于某一GTO元过电流

损

坏引起。一般，容易导通的GTO，难于

关断；难导通的，则易关断。

大容量GTO防止失效，则工艺要求严格，

如大面积扩散工艺，提高少子寿命的均

匀性。目前：6000A/6000V水平。五、GTO类型：

逆阻GTO：可承受正反向电压，但正向导通压降高，快速性能差。

阳极短路GTO：无反压GTO，不能承受反向电压，但正向导通压降低，快速性能好，热稳定性好。

其他类型GTO：其他类型GTO：

放大门极GTO

掩埋门极GTO

逆导GTO

MOS—GTO

光控GTO§6.2 特性与参数一、静态特性

1．阳极伏安特性*

减小温度影响，可在门极与阴极间并一个电阻定义：正向额定电压为90%VDRM 反向额定电压为90%VRRM

毛刺电流2．通态压降特性

通态压降越小，通态损耗越小

3．安全工作区3．安全工作区

与GTR和功率MOSFET不同，门极加正触发信号时（正向

偏置），无安全工作区问题，只有瞬时浪涌电流的规定值。

当门极加负脉冲关断信号时（反向偏置），有安全工作区

问题。

定义：在一定条件下，GTO能可靠关断的阳极电流与阳极电

压的轨迹。与门极驱动电路和缓冲电路参数有关。二、动态特性

1．开通特性：

开通时间：ton = td + tr

由元件特性、门极电流上升率

diG/dt

及门极脉冲幅值大小决定。延迟时间上升时间diG/dt及门极脉冲幅值大小决定。

上升时间内，开通损耗较大；

阳极电压一定时，开通损耗随

阳极电流增大而增大。2．关断特性：

说明：

①存储时间ts内，GTO导通区不断

被压缩，但总电流几乎不变。

②下降时间tf对应阳极电流迅速下

降，阳极电压不断上升和门极反电

压开始建立的过程，此时GTO中心压开始建立的过程，此时GTO中心

结开始退出饱和，继续从门极抽出

载流子。关断损耗最大，瞬时功率

与尖峰电压VP有关，过大的瞬时功

耗会使GTO出现二次击穿现象。使

用中应尽量减小缓冲电路的杂散电

感，选择内感小的二极管和电容等

元件。③尾部时间tt是指从阳极电流降到极小值开始，到最终达到维

持电流为止的时间，这段时间内仍有残存的载流子被抽出，但

阳极电压已建立，因此容易由于过高的重加电压dv/dt使GTO关

断失效。应设计合适的缓冲电路。一般，尾部时间会随存储时

间内过大的门极反向电流上升率dIGR/dt

增大而延长。

④门极动态特性：门极负电压、负电流波形。

门极负电流的最大值随阳极可关断电流的增大而增大。门极负电流的最大值随阳极可关断电流的增大而增大。

门极负电流的增长速度与门极所加的负电压及门极参数有关。

如果门极电路中有较大的电感，会使门极-阴极结进

入雪崩状