GTO的基本结构和工作原理

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βoff表示如下：βoff=I ATO/|-I GM|。

（5）βoff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的基本结构和工作原理GTO的基本结构GTO是一种电流控制型的自关断双极器件，当门极引入正向电流时导通，引入反向电流是关断，但不能像GTR那样在门极信号撤除时也能自行关断。

这就是说，GTO跟普通晶闸管一样，一旦导通即能在导通状态下自锁（Latch-up），是一种必须靠门极电流的极性变化来改变通断状态的晶闸管。

图3-1 GTO并联单元结构的断面示意图GTO的基本结构与基本工作原理与普通晶闸管大同小异，只是为了实现门极关断和提高门极的控制能力而扩大了P基区(门极区)对N＋发射区（阴极区）的相对面积，并将N＋发射区化整为零，分置与P区环绕之中，这些分离开的微小N＋发射区通过共用P基区，N＋基区，P发射区，形成GTO的管芯的全部晶闸管单元,每个单元晶闸管各有其独立的阴极，通常用压接方式把他们并联于同一阴极压块上。