GTO的基本結(jié)構(gòu)和工作原理.doc

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1、門(mén)極可斷晶閘管(gateturn-offthyristor,GTO)是一種具有自斷能力的晶閘管。處于斷態(tài)時(shí)，如果有陽(yáng)極正向電壓，在其門(mén)極加上正向觸發(fā)脈沖電流后，GTO可由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)，已處于通態(tài)時(shí)，門(mén)極加上足夠大的反向脈沖電流，GTO由通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。由于不需用外部電路強(qiáng)迫陽(yáng)極電流為0而使之關(guān)斷，僅由門(mén)極加脈沖電流去關(guān)斷它；所以在直流電源供電的DC—DC，DC—AC變換電路中應(yīng)用時(shí)不必設(shè)置強(qiáng)迫關(guān)斷電路。這就簡(jiǎn)化了電力變換主電路，提高了工作的可靠性，減少了關(guān)斷損耗，與SCR相比還可以提高電力電子變換的最高工作

2、頻率。因此，GTO是一種比較理想的大功率開(kāi)關(guān)器件。一、結(jié)構(gòu)與工作原理1、結(jié)構(gòu)GTO是一種PNPN4層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)、等效電路及圖形符號(hào)示于圖1中。圖1中A、G和K分別表示GTO的陽(yáng)極、門(mén)極和陰極。α1為P1N1P2晶體管的共基極電流放大系數(shù)，α2為N2P2N1晶體管的共基極電流放大系數(shù)，圖1中的箭頭表示各自的多數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)方向。通常α1比α2小，即P1N1P2晶體管不靈敏，而N2P2N1晶體管靈敏。GTO導(dǎo)通時(shí)器件總的放大系數(shù)α1+α2稍大于1，器件處于臨界飽和狀態(tài)，為用門(mén)極負(fù)信號(hào)去關(guān)斷陽(yáng)極電流

3、提供了可能性?！　∑胀ňчl管SCR也是PNPN4層結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、門(mén)極和陰極，構(gòu)成一個(gè)單元器件。GTO稱(chēng)為GTO元，它們的門(mén)極和陰極分別并聯(lián)在一起。與SCR不同，GTO是一種多元的功率集成器件，這是為便于實(shí)現(xiàn)門(mén)極控制關(guān)斷所采取的特殊設(shè)計(jì)?！　TO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程與每一個(gè)GTO元密切相關(guān)，但GTO元的特性又不等同于整個(gè)GTO器件的特性，多元集成使GTO的開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生了一系列新的問(wèn)題。2、開(kāi)通原理　　由圖1（b）所示的等效電路可以看出，當(dāng)陽(yáng)極加正向電壓，門(mén)極同時(shí)加正觸發(fā)信號(hào)時(shí)，GTO導(dǎo)通，其具體過(guò)程如圖

4、2所示?！　★@然這是一個(gè)正反饋過(guò)程。當(dāng)流入的門(mén)極電流IG足以使晶體管N2P2N1的發(fā)射極電流增加，進(jìn)而使晶體管P1N1P2的發(fā)射極電流也增加時(shí)，α1和α2增加。當(dāng)α1+α2>1之后，兩個(gè)晶體管均飽和導(dǎo)通，GTO則完成了導(dǎo)通過(guò)程。可見(jiàn)，GTO開(kāi)通的必要條件是　　α1+α2>1，（1）　　此時(shí)注入門(mén)極的電流　　IG=[1-（α1+α2）IA]/α2（2）　　式中，IA——GTO的陽(yáng)極電流；　　IG——GTO的門(mén)極電流?！　∮墒剑?）可知，當(dāng)GTO門(mén)極注入正的電流IG但尚不滿(mǎn)足開(kāi)通條件時(shí)，雖有正反饋?zhàn)饔?，但器?/p>

5、仍不會(huì)飽和導(dǎo)通。這是因?yàn)殚T(mén)極電流不夠大，不滿(mǎn)足α1+α2>1的條件，這時(shí)陽(yáng)極電流只流過(guò)一個(gè)不大而且是確定的電流值。當(dāng)門(mén)極電流IG撤銷(xiāo)后，該陽(yáng)極電流也就消失。與α1+α2=1狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極電流為臨界導(dǎo)通電流，定義為GTO的擎住電流。當(dāng)GTO在門(mén)極正觸發(fā)信號(hào)的作用下開(kāi)通時(shí)，只有陽(yáng)極電流大于擎住電流后，GTO才能維持大面積導(dǎo)通。{{分頁(yè)}}　　由此可見(jiàn)，只要能引起α1和α2變化，并使之滿(mǎn)足α1+α2>1條件的任何因素，都可以導(dǎo)致PNPN4層器件的導(dǎo)通。所以，除了注入門(mén)極電流使GTO導(dǎo)通外，在一定條件下過(guò)高的陽(yáng)

6、極電壓和陽(yáng)極電壓上升率du/dt，過(guò)高的結(jié)溫及火花發(fā)光照射等均可能使GTO觸發(fā)導(dǎo)通。所有這些非門(mén)極觸發(fā)都是不希望的非正常觸發(fā)，應(yīng)采取適當(dāng)措施加以防止。　　實(shí)際上，因?yàn)镚TO是多元集成結(jié)構(gòu)，數(shù)百個(gè)以上的GTO元制作在同一硅片上，而GTO元的特性總會(huì)存在差異，使得GTO元的電流分布不均，通態(tài)壓降不一，甚至?xí)陂_(kāi)通過(guò)程中造成個(gè)別GTO元的損壞，以致引起整個(gè)GTO的損壞。為此，要求在制造時(shí)盡可能使硅片微觀結(jié)構(gòu)均勻，嚴(yán)格控制工藝裝備和工藝過(guò)程，以求最大限度地達(dá)到所有GTO元的特性的一致性。另外，要提高正向門(mén)極觸發(fā)電

7、流脈沖上升沿陡度，以求達(dá)到縮短GTO元陽(yáng)極電流滯后時(shí)間，加速GTO元陰極導(dǎo)電面積的擴(kuò)展，縮短GTO開(kāi)通時(shí)間的目的。3、關(guān)斷原理　　GTO開(kāi)通后可在適當(dāng)外部條件下關(guān)斷，其關(guān)斷電路原理與關(guān)斷時(shí)的陽(yáng)極和門(mén)極電流如圖3所示。關(guān)斷GTO時(shí)，將開(kāi)關(guān)S閉合，門(mén)極就施以負(fù)偏置電壓UG。晶體管P1N1P2的集電極電流IC1被抽出形成門(mén)極負(fù)電流-IG，此時(shí)晶體管N2P2N1的基極電流減小，進(jìn)而引起IC1的進(jìn)一步下降，如此循環(huán)不已，最終導(dǎo)致GTO的陽(yáng)極電流消失而關(guān)斷?！　TO的關(guān)斷過(guò)程分為三個(gè)階段：存儲(chǔ)時(shí)間（ts）階段，下降

8、時(shí)間(tf)階段，尾部時(shí)間(tt)階段。關(guān)斷過(guò)程中相應(yīng)的陽(yáng)極電流iA、門(mén)極電流iG、管壓降uAK和功耗Poff隨時(shí)間的變化波形如圖3(b)所示?！　。?）ts階段。GTO導(dǎo)電時(shí)，所有GTO元中兩個(gè)等效晶體管均飽和，要用門(mén)極控制GTO關(guān)斷，首先必須使飽和的等效晶體管退出飽和，恢復(fù)基區(qū)控制能力。為此應(yīng)排除P2基區(qū)中的存儲(chǔ)電荷，ts階段即是依靠門(mén)極負(fù)脈沖電壓抽出這部分存儲(chǔ)電荷。在ts階段所有等效晶體管均未退出飽和，3個(gè)PN結(jié)都還是正