工作原理与特性详解

1.工作原理

GTO与普通晶闸管的工作原理很相近，只是因两者的门-阴极结构和阴极n₂p₂n₁晶体管所处的导通状态不同，导致其关断原理有所不同。下面以对称GTO结构为例，分析其工作原理。

图3-23给出了GTO开关原理示意图。其中GTO的p₁n₁p₂n₂四层结构可等效为p₁n₁p₂晶体管和n₂p₂n₁晶体管的耦合。用α₁和α₂分别表示p₁n₁p₂晶体管和n₂p₂n₁晶体管的电流放大系数，通常α₂较大，α₁较小。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。这是GTO与普通晶闸管的一个重要区别。

（1）开通过程 GTO的门极触发开通原理与普通晶闸管相似，其触发开通过程如图3-23a所示。当阳-阴极两端加上正向电压（U_AK＞0），门极加正触发脉冲电流（I_G＞I_GT）后，靠近门极的J₃结边缘的区域开始注入电子，使阴极n₂p₂n₁晶体管导通，其集电极电流会触发阳极p₁n₁p₂晶体管也导通，于是两者之间形成正反馈。导通条件仍是α₁+α₂＞1。与普通晶闸管相同，GTO最初的开通发生在靠近门极的n₂阴极区边缘处，只是局部导通。此时靠近门极的J₂处已经正偏，而阴极正下方J₂结中央的区域仍处于反偏，阴极中心仍存在一个未导通的细条区域。随后，当门极电流继续增加，导通区不断由边缘向中心区域扩展，直到器件全面开通。可见，GTO的开通过程分为一维的纵向开通和二维的横向扩展两个阶段。

图3-23 GTO开关过程示意图

（2）关断过程GTO正向导通持续20～150μs后，在门极加上一负脉冲信号，如图3-23b所示，靠近门极边缘的p₂基区的载流子（空穴）不断从门极抽走，使得此处的J₃结变成反偏，首先关断，而阴极正下方的J₂结中央区域仍处于正偏。随后导通区不断由边缘向中心区压缩，直至导通压缩成一个很窄的区域，其阳极电流I_A不变，但电流密度J很高。随着门极电流的不断抽取，p₂基区有足够多的电荷被抽走，当存储电荷减小到维持导通所需的数量以下（对应的α₁+α₂＜1）时，正反馈不能维持，阳极电流开始下降。直到内部过剩载流子完全消失后才彻底关断，GTO恢复到阻断状态，阳极电流几乎为零。所以，GTO的关断过程也可分为二维的横向压缩和一维的纵向关断两个阶段。

GTO与普通晶闸管的主要区别有以下几个方面：

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.基区的横向效应

GTO关断期间，当靠近门极的J₂结已恢复阻断，而远离门极的阴极中心正下方的区域仍处于导通状态时，于是部分阳极电流从p₂基区横向流入门极，并在其横向电阻上会产生压降，阻碍空穴向门极区流动。这个现象被称为p基区横向效应，如图3-24所示。由于它容易引起J₃结击穿，故从设计与工艺上要减小横向效应。

图3-24 p基区横向效应示意图

通常要求门极电流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结的雪崩击穿电压U_BR（J3），即

式中，R_B可表示为

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_S，B为p₂基区的薄层电阻。(www.xing528.com)

受基区横向电阻R_B的限制，允许的最大门极电流为

关断增益β_off通常定义为最大可关断阳极电流与最大负门极电流值之比，即

β_off=I_TGQM/∣-I_G∣ （3-25）

将式（3-23）、式（3-24）代入式（3-25），可得最大可关断阳极电流

I_TGQM=β_offI_G=4β_offU_BR（J3）/R_B （3-26a）

或 I_TGQM=4β_offU_BR（J3）l/R_S，Bw （3-26b）

由式（3-26）可知，最大可关断电流与U_BR（J3）、R_S，B、β_off及阴极条的长宽比（l/w）有关。由于GTO中的阴极n₂p₂n₁晶体管处于浅饱和状态，要求p₂基区的薄层电阻R_S，B控制在一定范围内，因此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。

如果用双极晶体管模型来表示GTO结构，则其关断增益β_off可表示为

由此可知，要提高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。

3.特性参数

GTO的电压参数与普通晶闸管的相同，其额定电流通常用最大可关断电流来描述。

（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。它是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（Surge Current） 由于电路异常情况（如故障）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。例如，对于3kA GTO，若电流脉冲占空比为50%，则I_CP为额定电流（最大可关断电流I_TGQM）的1/2，即I_CP=I_TGQM/2。