电力电子半导体器件(GTO)

三、GTO关断原理：如图关断等效电降阶段： 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。
9．开通时间：ton 为滞后时间td和上升时间tr之和。 1~2us 10．关断时间：toff 为存储时间ts与下降时间tf之和。
随阳极电流增大而增大 随通态平均电流值的增大而增大
2us
可关断晶闸管的主要参数和电气特性:
§6.3 GTO的缓冲电路
一、缓冲电路的作用
GT0的缓冲电路除用来抑制换相过电压，限制dv/dt，动态 均压之外，还关系到GTO的可靠开通和关断，尤其是GTO的关 断，一要依靠正确的门极负脉冲参数，二要依靠合理的缓冲电 路参数，两者缺一不可。 主要作用：
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；
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。
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。
2．二极管VDS应选用快速导通和快速恢复二极管。 3．电阻RS宜用无感电阻。 4．CS宜用无感电容。 5．RS工作时有一定温升，不应将CS安装于RS上方受热。 6．缓冲电路所有元件必须可靠连接，切忌虚焊，以免工作时因 元件发热脱焊，意外的不可靠连接都将造成GTO损坏。
§6.4 门极控制技术
一、概述 可关断品闸管由门极正脉冲控制导通，负脉冲控制关断。 在工作机理上，开通时与SCR大致相似，关断时则完全不同。 影响GTO导通的主要因素有；阳极电压、阳极电流、温度 和开通控制信号的波形。阳极电压越高，GTO越容易导通．阳 极电流较大时易于维持大面积饱和导通。温度低触发困难，温 度高容易触发。 影响GTO关断的主要因素有：被关断的阳极电流，负载阻 抗性质、温度、工作频率、缓冲电路和关断控制信号波形等。 阳极电流越大，关断越因难。电感性负载较难关断，结温越高 越难关断，结温过高甚至会出现关不断的现象。工作频率高关 断亦困难。对关断信号的波形更有特殊的要求。 GTO的门极控制技术关键在于关断。
LA RS 2 CS
GTO开关频率为 f 时, 电阻功率：
1 4．阻尼电阻RA：选定阻尼系数时： R A 2 一般RA<RS，
LA CS
（二）安装工艺及元件类型选择
1．缓冲电路必须尽量靠近GTO的阳极和阴极接线端安装，应最 大限度地缩短连接导线．一般不应超过10cm，以减小分布电
感和其他不良影响。
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。
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。 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 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。 8．擎住电流 GTO经门极触发后，阳极电流上升到保持所有GTO元导通的 最低值即擎住电流值。 擎住电流最大的GTO元影响最大。当门极电流脉冲宽度不足 时，门极脉冲电流下降沿越陡，GTO的擎住电流值将增大。
（4）引入缓冲电路可以提高GTO关断能力。
二、缓冲电路的工作原理
如图：GTO直流斩波器电路
阻尼电阻
三、缓冲电路参数估算及安装工艺 （一）电路参数估算 1．缓冲电感LA：由di/dt估算 2．缓冲电容CS：由dv/dt估算 3．缓冲电阻RS：阻尼LA与CS形成谐振
VE LA di dt
IA CS dv dt
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。
二、门极驱动特性
1．门极控制信号理想波形
2．开通控制及波形要求：
门极开通控制电流信号的波形要求是：脉冲的前沿陡、幅 度高、宽度大、后沿缓。 脉冲前沿对结电容充电，前沿陡充电快，正向门极电流建 立迅速，有利于GTO的快速导通。一般取门极开通电流变化率 为dIGF/dt为5—10A/us。 门极正脉冲幅度高可以实现强触发，一般该值比额定直流 触发电流大3~10倍，为快速开通甚至还可以提高该值。 门极触发电流的幅值不同，相应的开通时间亦不同。强触 发有利于缩短开通时间，减小开通损耗，降低管压降，适于低 温触发并易于GTO串并联运行。 触发电流脉冲的宽度用来保证阳极电流的可靠建立，一般 定为10~60us。后沿则应尽量缓一些，后沿过陡会产生振荡。
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
3．关断控制及波形要求 对关断控制电流波形的要求是：前沿较陡、宽度足够、幅 度较高、后沿平缓。 脉冲前沿陡可缩短关断时间，减少关断损耗；但前沿过陡 会使关断增益降低。阳极尾部电流增加，对GTO产生不利的影 响。一般关断脉冲电流的上升率 dIGR/dt取10～50A/us。 门极关断负电压脉冲必须具有足够的宽度，既要保证下降 时间tf内能继续抽出载流子，又要保证剩余载流子的复合有足 够的时间。特别是GTO关断过程中尾部时间过长时，必须用足 够的门极负电压脉冲宽度保证GTO可靠关断。
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。
（1）GTO关断时，在阳极电流下降阶段，抑制阳极电压VAK中 的尖蜂VP，以降低关断损耗，防止由此引起结温升高，α增大给 关断带来困难。 （2）抑制阳极电压VAK的上升率dv/dt ，以免关断失败。
（3）GTO开通时，缓冲电容通过电阻向GTO放电，有助于所有 GTO元达到擎住电流值，尤其是主电路为电感负载时。
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