1、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 DCDC，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
2、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。1为 P1N1P2晶体管的共基极电流放大系数，2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 1比 2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 1+2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
3、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 IG 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，1和 2增加。当 1+21之后，两个晶体管均饱和导通，
4、GTO 则完成了导通过程。可见，GTO 开通的必要条件是1+21， （1 ）此时注入门极的电流IG=1-（ 1+2） IA/ 2 （2）式中，I AGTO 的阳极电流；IGGTO 的门极电流。由式（2）可知，当 GTO 门极注入正的电流 IG 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 1+21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 1+2=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
5、 才能维持大面积导通。分页由此可见，只要能引起 1和 2变化，并使之满足 1+21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
6、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 UG。晶体管 P1N1P2的集电极电流 IC1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IC1的进一步下降，如此循环不已，最终导致 GTO 的阳
7、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 iA、门极电流 iG、管压降 uAK 和功耗 Poff 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
8、极电流 iA仍保持原先稳定导电时的数值 IA，管压降 u AK 也保持通态压降。（2） t f 阶段。经过 t s 阶段后，P 1N1P2等效晶体管退出饱和，N2P2N1晶体管也恢复了控制能力，当 iG 变化到其最大值 -IGM 时，阳极电流开始下降，于是 1和 2也不断减小，当 1+21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1+2（1+ ） -1IATO/2， （ 4）式中，I ATO被关断的最大阳极电流；IGM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 off 表示如下： off=IATO/|-IGM|。 （
9、5）off 是一个重要的特征参数，其值一般为38 。在 tf 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 UAK 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 IA 的增大过程，重则造成 GTO 再次导通。随着
10、 du/dt 上升减慢，阳极电流 IA 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 UDRM 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 URRM 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%URRM 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
11、5所示。当 GTO 结温高于125 时，由于 1和 2大大增加，自动满足了 1+21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 iG1和 iG2相当于毛刺电流，iG01，并且也是在 N 发射区邻近门极的边沿首先导通，然后通过等离子体扩展实现全面导通，略有不同的是，GTO 的导通是同时在各个单元里发生的，等离子体在各个单
12、元里同时从边沿向中心扩展，而普通晶闸管作为一个完整的大单元来开通，等离子体的扩展面积要大的多。GTO 的关断过程也是在各个单元里同时进行的，但其关断方式和原理与普通晶闸管不同，它是靠反偏门极对 P 基区中空穴的抽取来实现关断的。对于晶闸管类型的器件来说，P 基区中的等离子体是维持导通的必要条件。当等离子体中的空穴随着门极负电流流走时，J 2结和 J3结的正偏条件被消弱，N 发射区通过 J3结向 P 基区注入额外电子的注入效率相对下降，直至完全失去正偏条件，停止额外电子的注入。当然，这个过程也是在每个单元里从边沿向中心逐渐推进的，等离子体从外向里逐渐缩小，J 3结从外向里逐渐恢复阻断作用。当等离
13、子体收缩到一定限度时，J 3结仍然保持正偏状态的中央部分有限的注入已难以通过内部电流的再生正反馈作用维持整个单元的导通状态，于是 J3结恢复反偏状态，GTO 的每个单元都恢复了 J2结的反向阻断能力时即被关断。GTO（以 P 型门极为例）是由 PNPN 四层半导体材料构成，其三个电极分别为阳极 A、阴极 K 和门极 G，图3-2是其结构及电路图形符号。图3-2 GTO 的结构、等效电路及图形符号当在晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压时，这时不管控制极的信号情况如何，晶闸管都不会导通。当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，若在控制极与阴极之间没有电压或加反向电压，晶闸管还是不会导通。只有当在晶闸
14、管的阳极与阴极之间加正向电压时，在控制极与阴极之间加正向电压，晶闸管才会导通。但晶闸管一旦导通，不管控制极有没有电压，只要阳极与阴极之间维持正向电压，则晶闸管就维持导通。电特性，即当其阳极 A、阴极 K 两端为正向电压，在门极 G 上加正的触发电压时，晶闸管将导通，导通方向 AK。当 GTO 处于导通状态，若在其门极 G 上加一个适当负电压，则能使导通的晶闸管关断（普通晶闸管在靠门极正电压触发之后，撤掉触发电压也能维持导通，只有切断电源使正向电流低于维持电流或加上反向电压，才能使其关断）GTO 的关断损耗在下降时间 t f 阶段内相当集中，其瞬时功耗与尖峰电压 UP 有关。过大的瞬时功耗会出现
15、类似晶体管二次击穿的现象，造成 GTO 损坏。在实际应用中应尽量减小缓冲电路的杂散电感，选择电感小的二极管及电容等元件，以便减小尖峰电压 UP。阳极电流急剧减小以后，呈现出一个缓慢衰减的尾部电流。由于此时阳极电压已经升高，因此 GTO 关断时的大部分功率损耗出现在尾部时间。在相同的关断条件下，GTO 型号不同，相应的尾部电流起始值 IT1和尾部电流的持续时间均不同。在存储时间内过大的门极反向电流上升率 diRG/dt 会使尾部时间加长。此外，过高的重加 du/dt 会使 GTO 因瞬时功耗过大而在尾部时间内损坏器件。因此必须很好地控制重加 du/dt，设计适当的缓冲电路。一般来说，GTO 关断
16、时总的功率损耗随阳极电流的增大而增大，随缓冲电容的增加而减小。门极负电流、负电压波形是 GTO 特有的门极动态特性，如图(9)所示。门极负电流的最大值随阳极可关断电流的增大而增大。门极负电流增长的速度与门极所加负电压参数有关。如果在门极电路中有较大的电感，会使门极-阴极结进入雪崩状态。在雪崩期间，阴极产生反向电流。与阴极反向电流对应的时间为雪崩时间 tBR，在这段时间内，阳极仍有尾部电流，门极继续从阳极抽出电流。门极负电流中既有从阳极抽出的电流又有阴极反向电流。如果门极实际承受的反向电流不超过门极雪崩电压 UGR，则不会出现阴极反向电流。实际应用中，多数情况下不使门极-阴极结产生雪崩现象，以防止因雪崩电流过大而损坏门极-阴极结。除了以上特别提出讨论的几个工作特性外，GTO 的其他工作特性及参数都与普通晶闸管没有多少差别，这里不再赘述。
