最新电力电子半导体器件(GTO)
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2．关断增益βoff
影响IATO的因素都会影响βoff ；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。
3．阳极尖峰电压VP VP是在下降时间末尾出现的极值电压，随阳极关断电流线性
增加，过高会导致GTO失效。 VP的产生是由缓冲电路中的引线 电感、二极管正向恢复电压和电容中的电感造成的，减小VP应 尽量缩短缓冲电路的引线，采用快恢复二极管和无感电容。
I2t 值表示在持续时间不满10ms的区域内衡量正向非重复电 流的能力，是选定快速熔断器的依据。
6．断态不重复峰值电压
当器件阳极电压超过此值时，则不需要门极触发即转折导 通，断态不重复峰值电压随转折次数增大而下降。一般只有其 中个别几个GTO元首先转折，阳极电流集中，局部电流过高而 损坏。
7．维持电流
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：
（吸收回路）
② di/dt：阳极电流上升率
GTO开通时， di/dt过大会导致阴极区电流局部集中或使开通 损耗增大，引起局部过热，而损坏GTO。（串联电感）
5．浪涌电流及I2t 值
与SCR类似，浪涌电流是指使结温不超过额定结温时的不重 复最大通态过载电流；一般为通态峰值电流的6倍。会引起器件 性能的变差。
4． dv/dt和di/dt
① dv/dt ：
静态dv/dt 指GTO阻断时所能承受的最大电压上升率，过高 会使GTO结电容流过较大的位移电流，使α增大，印发误导通。 结温和阳极电压越高，GTO承受静态dv/dt 能力越低；门极反偏 电压越高，静态dv/dt 耐量越高。（并联电阻）
动态dv/dt 也称重加dv/dt ，是GTO在关断过程中阳极电压的 上升率。重加dv/dt 会使瞬时关断损耗增大，也会导致GTO损坏。
阳极电压一定时，开通损耗随 阳极电流增大而增大。
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
IATO(122)1IGM
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。
GTO的维持电流指阳极电流减小到开始出现GTO元不能再维 持导通时的数值。因为若GTO在阳极电流纹波较大的情况下工 作时，当电流瞬时值到达最低时，因GTO元间电流分布不均匀， 以及维持电流值的差异，其中部分GTO元因电流小于其维持电 流值而截止，则在阳极电流回复到较高值时，已截止的GTO元 不能再导电，于是导电的GTO元的电流密度增大，出现不正常 工作状态。
电力电子半导体器件 (GTO)
§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： 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。
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Leabharlann Baidu负电流波形。
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。
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。
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；
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 与GTR和功率MOSFET不同，门极加正触发信号时（正向
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。
影响IATO的因素都会影响βoff ；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。
3．阳极尖峰电压VP VP是在下降时间末尾出现的极值电压，随阳极关断电流线性
增加，过高会导致GTO失效。 VP的产生是由缓冲电路中的引线 电感、二极管正向恢复电压和电容中的电感造成的，减小VP应 尽量缩短缓冲电路的引线，采用快恢复二极管和无感电容。
I2t 值表示在持续时间不满10ms的区域内衡量正向非重复电 流的能力，是选定快速熔断器的依据。
6．断态不重复峰值电压
当器件阳极电压超过此值时，则不需要门极触发即转折导 通，断态不重复峰值电压随转折次数增大而下降。一般只有其 中个别几个GTO元首先转折，阳极电流集中，局部电流过高而 损坏。
7．维持电流
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：
（吸收回路）
② di/dt：阳极电流上升率
GTO开通时， di/dt过大会导致阴极区电流局部集中或使开通 损耗增大，引起局部过热，而损坏GTO。（串联电感）
5．浪涌电流及I2t 值
与SCR类似，浪涌电流是指使结温不超过额定结温时的不重 复最大通态过载电流；一般为通态峰值电流的6倍。会引起器件 性能的变差。
4． dv/dt和di/dt
① dv/dt ：
静态dv/dt 指GTO阻断时所能承受的最大电压上升率，过高 会使GTO结电容流过较大的位移电流，使α增大，印发误导通。 结温和阳极电压越高，GTO承受静态dv/dt 能力越低；门极反偏 电压越高，静态dv/dt 耐量越高。（并联电阻）
动态dv/dt 也称重加dv/dt ，是GTO在关断过程中阳极电压的 上升率。重加dv/dt 会使瞬时关断损耗增大，也会导致GTO损坏。
阳极电压一定时，开通损耗随 阳极电流增大而增大。
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
IATO(122)1IGM
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。
GTO的维持电流指阳极电流减小到开始出现GTO元不能再维 持导通时的数值。因为若GTO在阳极电流纹波较大的情况下工 作时，当电流瞬时值到达最低时，因GTO元间电流分布不均匀， 以及维持电流值的差异，其中部分GTO元因电流小于其维持电 流值而截止，则在阳极电流回复到较高值时，已截止的GTO元 不能再导电，于是导电的GTO元的电流密度增大，出现不正常 工作状态。
电力电子半导体器件 (GTO)
§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： 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。
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Leabharlann Baidu负电流波形。
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。
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。
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；
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 与GTR和功率MOSFET不同，门极加正触发信号时（正向
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。