功率器件工程师笔记——门极可关断晶闸管GTO

1、结构概述

1.1基本结构

      GTO与普通晶闸管之间的不同之处在于，GTO采用了分立的门-阴极结构，其阴极呈指条 状，被门极所环绕，并且阴极无短路点。GTO的阴极被门极分成很多指条，故一个GTO可以看成由许多个p₁n₁p₂n₂基本单元并联而成的晶闸管。

图1 GTO的基本结构与电路图形符号

1.2结构类型与特点

图2 GTO的结构类型

图3 GTO三维结构示意图

      在实际应用中，GTO通常与二极管反并联使用，为了消除寄生电感，开发了逆导GTO（RC-GTO）。 为了减小拖尾电流，开发了双门极GTO（DG-GTO）。

      双门极结构，可提高器件工作频率， 这种结构的缺点是需要两个隔离的门极驱动电路， 并且G₂侧还必须在高压端。

图4 逆导GTO的结构与电路图形符号

图5 双门极GTO的结构及电路图形符号

2、工作原理与特性

2.1工作原理

     GTO导通时，由于n₂p₂n₁晶体管处于临界饱和状态，GTO也处于浅饱和导通状态。因而，可以用负门极电流去关断阳极电流。而普通晶闸管导通时，n₂p₂n₁晶体管处于深饱和状态，故很难用负门极电流去关断阳极电流。

图6 GTO开关过程示意图

     GTO与普通晶闸管的主要区别：

    1）GTO关断由门极信号控制，不需要阳极电压反向，且工作电压也很低。所以GTO的关断电路比普通晶闸管简单。

     2）GTO用门极关断的主要原因在于，一是采用了分立的门-阴极结构，二是导通时阴极n₂p₂n₁晶体管处于临界饱和状态，α₁+α₂≈1.05；而普通晶闸管导通时n₂p₂n₁晶体管处于深饱和状态，α₁+α₂≈1.15。

     3）GTO中每个阴极单元都要被门极脉冲同时触发开通或同时关断。因此，GTO开通后，要加一个较小的门极后沿电流来维持所有单元的开通，而普通晶闸管驱动信号是非连续控制的，开通后即可撤走。

    4）GTO在一维关断期间，为了防止关断功耗引起局部过热，或者由高电场诱发雪崩注入而引起二次击穿，要限制阳极电压上升率du/dt，因此必须强制性地加入吸收电路。

2.2基区和横向效应

    门极电流I_G在p₂基区横向电阻R_B上产生的压降U_GR必须小于J₃结的击穿电压U_BR(J3)

     式中，ρ_B为p₂基区的平均电阻率；W_p2为p₂基区的厚度；l为阴极条长；w为阴极条宽； R_SB为p₂基区的薄层电阻。

    受R_B的限制，允许的最大门极电流为：

    最大可关断阳极电流：

    是关断增益，定义为最大可关断阳极电流与最大负门极电流值之比。

   U_BR（J3）一般不超过25V。β_off值大小与α₁和α₂有关，通常为3～5。所以，为了提高I_TGQM，只能增加l/w，即将阴极做成窄长条。

    提高β_off，需增加α₂，减小α₁。采用阳极短路结构可减小α₁，从而提高β_off。也可以通过加厚n₁区、提高载流子寿命来减小α₁，但这会导致通态压降的增加。

2.3特性参数

    （1）最大可关断电流I_TGQM：在规定条件下，用门极控制可以关断的最大阳极电流值。是GTO的额定电流，与门极关断电路、主电路及吸收电路条件等有关。普通晶闸管用平均电流I_T(AV)作为额定电流，I_T(AV)约为I_TGQM的20%。I_TGQM的影响因素有α₁和α₂、du/dt、阳极电压、结温及频率等。

   （2）关断增益β_off: 最大可关断阳极电流与门极负电流最大值之比。关断增益越大，用门极关断越容易。一般β_off为3～5。

   （3）浪涌电流：由于电路异常情况引起，并使结温超过额定值的不重复最大过载电流。 在规定时间内（如一个周期内），GTO能承受比额定平均电流大得多（10～15）I_T(AV)的浪涌电流。

   （4）擎住电流I_L：门极加触发信号后，保持所有GTO单元导通时的最小阳极电流。它与触发信号有关，随工作条件变化。大约是维持电流的2倍。

   （5）维持电流I_H：GTO关断时，阳极电流减小到开始出现某个单元不能再维持导通时的电流值。因此，GTO的I_H一般大于同等容量的普通晶闸管。

   （6）阳极平均电流I_CP：用于设计散热器和通风冷却装置时，可根据脉冲占空比来计算。

3、静态与动态特性

3.1开通特性

   （1）延迟期：延迟时间t_d与正门极电流脉冲的幅值I_GM和前沿陡度di_G/dt有关。前沿越陡、负门极电流峰值越大，注入电荷的速度越快，t_d越短。

图7 GTO开关特性曲线及门极触发脉冲波形

3.2关断特性

    （1）存储期：存储时间t_s为负门极信号从0.1I_GQ开始到i_A减小到导通电流的0.9I_TGQ所需时间。t_s与负门极脉冲电流峰值I_GQ和前沿陡度di_GQ/dt有关。前沿越陡、负门极电流峰值越大，抽取电荷的速度越快，t_s越短。

    （2）下降期：下降时间t_f为i_A从0.9I_TGQ下降到0.1I_TGQ所需时间。t_f与负门极电流的幅度I_GQ有关。幅度越大，抽取的存储电荷越多，α₁+α₂下降越快，i_A快速减小。

   （3）拖尾期：拖尾时间t_tail，定义为i_A从0.1I_TGQ下降到0.25I_tail所需时间。t_tail主要与两个基区的少子寿命有关。少子寿命越短，复合越快，拖尾时间越短。

    GTO的开关时间t_q为开通时间t_on和关断时间t_off之和，相比较而言，GTO的关断时间比开通时间更长，并且在关断时间中，下降时间t_f较短，存储时间t_s较长。

     缩短开关时间的措施：减小开关时间主要是缩短关断时间。器件的结温、阳极电流、阳极电压及其上升率、关断增益等均会导致关断时间延长，而负门极电流的前沿陡度越高、幅值越大，会使关断时间缩短。对器件结构，降低少子寿命或控制基区厚度可缩短关断时间；采用短路阳极可大大缩短拖尾时间，从而缩短关断时间；采用透明阳极，可完全消除拖尾电流。对外电路，提高门极负脉冲电流的上升率或幅度，可减小存储时间和下降时间。

图8 GTO的吸收关断电路及关断波形

     吸收条件下的关断：图8a中，由V_Ds、Rs和Cs构成了RCD du/dt吸收电路。图8b，在t₀时刻之前，GTO处于导通状态，电流由DUT和负载电感建立，并且I_G可忽略，故 I_A≈I_K。从t₀时刻起，在门极加上负关断电压U_OFF，由U_OFF和门极回路杂散电感L_G决定了门极电流线性下降。在t₁时刻GTO已经不能维持正反馈，阳极电流开始下降，并由负载转到du/dt吸收电路。在t₂时刻，阳极电流变化率di/dt达到其最大值，由du/dt吸收电路中的Ls导致阳极电压尖峰。在t₃时刻，阳极电流达到拖尾阶段。在t₄时刻，阳极电压达到直流电压U_DC，续流二极管V_DF导通。在电源、V_DF和du/dt吸收电路中，杂散电感中的能量将通过吸收电容释放，引起另一个阳极电压尖峰。在t_4-t₅之间的阳极电压尖峰由du/dt吸收电路中的二极管V_Ds产生。

图9 GTO在感性负载下关断时间的开关I-U特性轨迹

      图9在开通过程中，有di/dt抑制电路时，开通损耗明显减小。在关断过程中，有du/dt吸收电路时，关断损耗明显减小。

3.3门级信号

     门极控制信号有四个特征量：脉冲的前沿、幅度、宽度及后沿。

   （1）门极触发信号的要求：前沿陡度大，幅度I_GM为额定触发电流的3～5倍，脉冲宽度要比器件的导通时间大几倍，后沿陡度缓。

   （2）门极关断信号的要求：前沿陡度大，幅度I_GQ在2I_A/3以内，脉冲宽度大，后沿陡度缓。

4、硬驱动技术

4.1定义

     在器件关断过程中极短的时间内，给门极加上电流上升率及幅值都很大的驱动信号， 使器件的存储时间大大缩短，从而获得较大的安全工作区和器件的无吸收工作。

     传统GTO采用庞大的门极驱动电路，导致门极回路电感很大，通过改进驱动电路与GTO的连接方式以减小门极回路的电感，从而实现“硬驱动”。

表1 4.5kV/3kA/125℃普通GTO与HD-GTO的性能参数比较

    正常关断时只有1/4的阳极电流从门极流出，关断增益为4（即β_off=4）。采用“硬驱动” 电路关断时，所有阳极电流均从门极流出，故其关断增益β_off为1。所以，“硬驱动”技术的典型特征就是可实现单位关断增益。

    采用单位增益关断，使GTO各单元存储时间t_s的差异减小，器件内部的电流趋于均匀分布，可以改善GTO的RBSOA。采用单位增益关断更有利于实现均流。

4.2优点

     采用门极“硬驱动”，不仅可使GTO的开通di/dt提高，延迟时间缩短，损耗下降，而且可使关断的du/dt耐量和最大可关断电流提高，存储时间缩短。更重要的是，它可以降低门极电路电感，减小门极驱动电路的元件数、热耗散、电应力及内部热机械应力，从而显著地降低门极驱动电路的成本和失效率。