电力电子半导体器件GTO介绍
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特点： ① α1 <α2 P1N1P2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。
off
影响IATO的因素都会影响β off ；一般，当门极负电流上升 率一定时，关断增益随可关断阳极电流的增加而增加；当可 关断阳极电流一定时，关断增益随门极负电流上升率的增加 而减小。
延迟时间
上升时间
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 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。
三、主要参数
1．最大可关断阳极电流IATO
I ATO
2 I GM (1 2 ) 1
GTO阳极电流受温度和电流的双重影响，温度高、电流大 时， α1 +α2 略大于1的条件可能被破坏，使器件饱和深度加深， 导致门极关断失效。 IATO还和工作频率、再加电压、阳极电 压上升率dv/dt、门极负电流的波形和电路参数变化有关。 2．关断增益β
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。
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 态，阴极产生反向电流，雪崩时间tBR 。应用中，防止雪崩电 流过大损坏门极-阴极，或不使门极-阴极产生雪崩现象，保证 门极反向电压不超过门极雪崩电压VGR。门极信号线要双绞线。
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
*减小温度影响，可在门极与阴极间并一个电阻
1．阳极伏安特性
毛刺电流
定义：正向额定电压为90%VDRM
反向额定电压为90%VRRM
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
三、GTO关断原理：如图关断等效电路
关断过程分为三个阶段：
பைடு நூலகம்
存储时间阶段：ts
下降阶段： 尾部阶段： tf tt
①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： tf
IG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 断损耗尤为突出。
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；
关断条件： α1 +α2 <1
I GM (1 2 ) 1
2
I ATO
被关断的最大阳极电流
电流关断增益： off
I ATO I GM
一般：3~8
③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。
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。 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。
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 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。
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。
off
影响IATO的因素都会影响β off ；一般，当门极负电流上升 率一定时，关断增益随可关断阳极电流的增加而增加；当可 关断阳极电流一定时，关断增益随门极负电流上升率的增加 而减小。
延迟时间
上升时间
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 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。
三、主要参数
1．最大可关断阳极电流IATO
I ATO
2 I GM (1 2 ) 1
GTO阳极电流受温度和电流的双重影响，温度高、电流大 时， α1 +α2 略大于1的条件可能被破坏，使器件饱和深度加深， 导致门极关断失效。 IATO还和工作频率、再加电压、阳极电 压上升率dv/dt、门极负电流的波形和电路参数变化有关。 2．关断增益β
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。
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 态，阴极产生反向电流，雪崩时间tBR 。应用中，防止雪崩电 流过大损坏门极-阴极，或不使门极-阴极产生雪崩现象，保证 门极反向电压不超过门极雪崩电压VGR。门极信号线要双绞线。
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
*减小温度影响，可在门极与阴极间并一个电阻
1．阳极伏安特性
毛刺电流
定义：正向额定电压为90%VDRM
反向额定电压为90%VRRM
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
三、GTO关断原理：如图关断等效电路
关断过程分为三个阶段：
பைடு நூலகம்
存储时间阶段：ts
下降阶段： 尾部阶段： tf tt
①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： tf
IG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 断损耗尤为突出。
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；
关断条件： α1 +α2 <1
I GM (1 2 ) 1
2
I ATO
被关断的最大阳极电流
电流关断增益： off
I ATO I GM
一般：3~8
③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。
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。 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。
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 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。