1.12栅极关断晶闸管

门极关断晶闸管

在本教程中，我们将学习一种特殊的晶闸管——门极关断晶闸管（GTO）。我们将了解其结构、电路符号、伏安特性、工作原理以及一些常见的应用。

尽管晶闸管在高功率应用中得到了广泛使用，但它一直存在半控型器件的缺陷。虽然可以通过施加门极信号将其导通，但必须通过换流电路中断主电流才能将其关断。

在直流到直流和直流到交流的转换电路中，由于缺乏自然电流零点（如交流电路中的情况），晶闸管的这一缺陷变得尤为严重。因此，门极关断晶闸管（GTO）的开发通过确保通过门极终端实现关断机制，解决了晶闸管的主要问题。

门极关断晶闸管基础

门极关断晶闸管（GTO）是一种三端、双极型（电流控制少数载流子）半导体开关器件。与传统晶闸管类似，其端子为阳极、阴极和门极，如图所示。顾名思义，它具有门极关断能力。

这些器件不仅可以通过门极驱动电路导通主电流，还可以将其关断。一个小的正向门极电流可以触发GTO进入导通模式，同时通过在门极施加一个负脉冲，也可以将其关断。注意下图中门极上的双箭头，这将GTO与普通晶闸管区分开来。这表明门极终端有双向电流流动。

为了关断GTO所需的门极电流相对较高。例如，额定电压为4000V、电流为3000A的GTO可能需要-750A的门极电流才能将其关断。因此，GTO的典型关断增益较低，范围在4到5之间。由于这种较大的负电流，GTO通常用于低功率应用。

另一方面，在导通状态下，GTO的表现与晶闸管类似，具有较小的导通状态电压降。GTO的开关速度比晶闸管快，并且具有比功率晶体管更高的电压和电流额定值。

如今市场上有多种GTO可供选择，具有不对称和对称的电压能力。具有相同正向和反向阻断能力的GTO被称为对称GTO（S-GTO）。这些通常用于电流源逆变器，但它们的速度稍慢。由于具有较低的导通状态电压降和稳定的温度特性，大多数情况下使用的是不对称GTO（A-GTO）。

这些不对称GTO具有显著的反向电压能力（通常为20到25伏）。这些用于其两端永远不会出现反向电压的情况，或者在电路中连接了一个反向导通二极管。本文仅描述不对称GTO。

结构

考虑下图所示的GTO结构，它与晶闸管几乎相同。它也是一个四层、三结的P-N-P-N器件，类似于标准晶闸管。在这里，阴极端的n+层高度掺杂，以获得高发射极效率。这使得J3结的击穿电压较低，通常在20到40伏之间。

门极的p型掺杂水平高度分级，因为为了保持高发射极效率，掺杂水平应该较低，而为了获得良好的关断特性，该区域的掺杂应该较高。此外，门极和阴极应该以各种几何形式高度交错，以优化电流关断能力。

P+阳极和N基极之间的结称为阳极结。需要一个高度掺杂的P+阳极区域来获得高效的阳极结，从而实现良好的导通特性。然而，这种GTO的关断能力受到影响。

通过在P+阳极层中定期引入高度掺杂的N+层，如图所示，可以解决这个问题。因此，N+层在J1结处与N层直接接触。这使得电子从基极N区直接流向阳极金属接触，而不会导致P+阳极的空穴注入。这被称为阳极短路GTO结构。

由于这些阳极短路，GTO的反向阻断能力降低到J3结的反向击穿电压，从而加快了关断机制。

然而，随着阳极短路数量的增加，阳极结的效率降低，从而导致GTO的导通性能下降。因此，为了获得良好的导通和关断性能，必须仔细考虑这些阳极短路的密度。

工作原理

GTO的导通操作与传统晶闸管类似。当通过施加正向门极电流使阳极终端相对于阴极为正时，门极的空穴电流注入使阴极p基极结正向偏置。

这导致电子从阴极向阳极终端发射。这诱导了从阳极终端向基极区域的空穴注入。这种空穴和电子的注入持续进行，直到GTO进入导通状态。

在晶闸管的情况下，导通最初是通过导通靠近门极终端的阴极区域开始的。然后，通过等离子体扩散，剩余区域进入导通状态。

与晶闸管不同，GTO由与门极终端高度交错的窄阴极元件组成，因此最初导通的区域非常大，等离子体扩散较小。因此，GTO非常迅速地进入导通状态。

要关断一个导通的GTO，通过使门极相对于阴极为负，向门极施加反向偏置。P基底层的一部分空穴通过门极被提取出来，这抑制了从阴极的电子注入。

作为对此的响应，更多的空穴电流通过门极被提取出来，从而进一步抑制了阴极的电子注入。最终，P基极结上的电压降导致门极阴极结反向偏置，因此GTO被关断。

在空穴提取过程中，P基区域逐渐耗尽，从而使导通区域被挤压。随着这一过程的持续，阳极电流通过远程区域流动，形成高电流密度的细丝。这会导致局部热点，除非这些细丝被迅速熄灭，否则可能会损坏器件。

通过施加高负门极电压，这些细丝可以迅速熄灭。由于N基区域存储的电荷，即使阴极电流停止，阳极到门极的电流仍然会流动。这被称为尾电流，随着多余载流子通过复合过程减少，它呈指数衰减。一旦尾电流减少到漏电流水平，器件恢复其正向阻断特性。

伏安特性

在导通过程中，GTO的操作与晶闸管类似。因此，第一象限的特性与晶闸管相似。当阳极相对于阴极为正时，器件处于正向阻断模式。通过施加正向门极信号触发GTO进入导通状态。

与晶闸管相比，GTO的锁定电流和正向漏电流要高得多，如图所示。如果阳极电流高于保持电流水平，则可以移除门极驱动。

然而，建议在导通期间不要移除正向门极驱动，并保持在最大临界门极电流以上的值。这是因为如上所述，阴极被细分为小的指状元件以协助关断过程。

这会导致阳极电流短暂低于保持电流水平，从而迫使高阳极电流以高比率重新流入GTO。这可能是潜在的破坏性的。因此，一些制造商建议在导通状态下持续门极信号。

通过施加反向门极电流可以将GTO关断，该电流可以是阶梯或斜坡驱动。GTO可以在不反转阳极电压的情况下关断。图中的虚线显示了感性负载在关断期间的i-v轨迹。应该注意的是，在关断期间，GTO只能阻断额定正向电压。

为了避免dv/dt触发并在关断期间保护器件，必须在门极和阴极之间连接推荐值的电阻，或者在门极终端保持一个小的反向偏置电压（通常为-2V）。这防止了门极阴极结正向偏置，因此GTO在关断状态下保持。

在GTO反向偏置的情况下，其阻断能力取决于GTO的类型。对称GTO具有高反向阻断能力，而不对称GTO具有较小的反向阻断能力，如图所示。

观察到，在反向偏置条件下，在一个小的反向电压（20到30伏）之后，由于阳极短路结构，GTO开始在反向方向导电。只要门极保持负偏置，并且这种操作的时间很短，这种操作模式就不会破坏器件。

门极关断晶闸管应用

由于具有出色的开关特性、无需换流电路、免维护运行等优点，GTO在许多应用中优于晶闸管。它用作斩波器和逆变器中的主要控制器件。其中一些应用包括：

• 交流驱动
• 直流驱动或直流斩波器
• 交流稳压电源
• 直流断路器
• 感应加热
• 其他低功率应用