电力电子半导体器件G

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1、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。§6.1GTO结构及工作原理GateTurn-offThyristor——GTO一、结构：四层PNPN结构，三端器件；特点：①α1<α2P1N1P2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

2、的开关过程产生了一系列新的问题。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

3、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。三、GTO关断原理：如图关断等效电路关断过程分为三个阶段：存储时间阶段：ts下降阶段：tf尾部阶段：tt①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：tfIG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。关断条件：α1+α2<1被关断的最大阳极电流电流关断增益：一般：3

4、~8③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。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GT

5、O，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。其他类型GTO：放大门极GTO掩埋门极GTO逆导GTOMOS—GTO光控GTO§6.2特性与参数一、静态特性1．阳极伏安特性定义：正向额定电压为90%VDRM反向额定电压为90%VRRM*减小温度影响，可在门极与阴极间并一个电阻毛刺电流2．通态压降特性通态压降越小，通态损耗越小3．安全工作区与GTR和功率MOSFET不同，门极加正触发信号时（正向偏置），无安全工作区问题，只有瞬时浪涌电流的规定值。当门极加负脉冲关断信号时（反向偏置），有安全工作区问题。定义：在一定条件下，GTO能可靠关断的阳极电流与阳极电压

6、的轨迹。与门极驱动电路和缓冲电路参数有关。二、动态特性1．开通特性：开通时间：ton=td+tr由元件特性、门极电流上升率diG/dt及门极脉冲幅值大小决定。上升时间内，开通损耗较大；阳极电压一定时，开通损耗随阳极电流增大而增大。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

7、，选择内感小的二极管和电容等元件。③尾部时间tt是指从阳极电流降到极小值开始，到最终达到维持电流为止的时间，这段时间内仍有残存的载流子被抽出，但阳极电压已建立，因此容易由于过高的重加电压dv/dt使GTO关断失效。应设计合适的缓冲电路。一般，尾部时间会随存储时间内过大的门极反向电流上升率dIGR/dt增大而延长。④门极动态特性：门极负电压、负电流波形。门极负电流的最大值随阳极可关断电流的增大而增大。门极负电流的增长速度与门极所加的负电压及门极参数有关。如果门极电路中有较大的电感，会使门极-阴极结进入雪崩状态，阴极产生反向电流，雪崩时间tB