发射极关断晶闸管（ETO）操作及维护技巧

ETO是1998年由美国电力电子系统中心（CPES）和美国硅功率公司（SPCO）共同开发的一种由MOSFET和GTO集成的大功率器件^[60]，由美国乔治那技术学院电力电子系统中心研制。ETO通过特殊封装结构实现了单位关断增益，从而改善了GTO的关断特性，提高了工作频率，增大了安全工作区，使之更易于串并联使用。

1.结构特点

ETO的封装外形、电路图形符号、等效结构及内部电流通路如图3-64所示^[62，63]。它是通过印制电路板将GTO与其驱动电路集成在一起，使其门极驱动电路电感由300nH减小到10nH，门极可承受的瞬态电压由20V增加到60V，导致其门极电流上升率达到6kA/μs或更高，因而实现了“硬驱动”图3-64b为ETO的电路图形符号。在图3-64c所示的封装结构中，GTO管芯下方的电路板上有两层铜膜，左侧的门极MOSFET与右侧的发射极MOSFET均位于上铜膜（Top Copper），并通过铜膜图形实现电隔离；利用门极MOSFET可将GTO的阴极J₃结短路，利用发射极MOSFET可将GTO阴极与下铜膜（Bottom Copper）相连。可见ETO开通与关断的电流通路完全不同。由图3-64d所示的等效结构可知，其中有两个MOS-FET：一个与GTO的阴极串联，充当发射极开关，用G₂表示其栅极；另一个与GTO的门极相连，充当门极开关，用G₃表示其栅极，G₁为GTO原有的门极。

图3-64 ETO的外形结构、电路符号、内部电流通路及等效结构

2.工作原理

ETO工作原理示意图如图3-65所示^[64]。当ETO开通时，在门极G₂加上正向电压使VM_E开通，门极G₃加反向电压使VM_G关断，门极G₁加上很强的正向电流触发脉冲，触发GTO导通。采用强触发脉冲可减小开通延迟时间，提高阳极电流的上升率di_A/dt。GTO中的p₁n₁p₂晶体管和n₂p₂n₁晶体管快速形成正反馈，使ETO的阳极电压下降到通态压降。可见，ETO的开通过程就是GTO的开通过程，开通需要的能量由ETO的门极驱动器提供。ETO导通后，阳极电流通过VM_E流到阴极。与GTO不同的是，由于VM_E存在附加的电压降，使ETO的导通损耗要比GTO的稍大。ETO在导通状态下，也要向门极提供一个小的直流电流信号，以确保其所有单元都能开通，并维持较低的通态损耗。

当ETO关断时，门极G₃加正电压使VM_G导通，门极G₂加负电压使VM_E关断，GTO的阴极电流被迫全部转换到门极电路，从而使ETO关断。这一过程持续时间非常短，因此关断速度很快。与GTO关断不同的是，ETO的关断过程由电压控制，因此ETO的门极驱动电路可做得很紧凑，并且消耗功率也很小。

图3-65 ETO的工作原理示意图(www.xing528.com)

3.静态与动态特性

ETO的阻断特性和开通特性与GTO完全相同，只是通态特性、关断特性与GTO有所不同。ETO通态压降取决于GTO的压降和与之串联的MOSFET的压降，故ETO通态压降比GTO的稍大一些。由于ETO采用独特的硬驱动技术，因而有优良的关断特性。在硬关断的条件下，VM_E关断时VM_G导通，GTO中的阴极电流在阳极电压上升之前，瞬间全部转换到门极，使J₃结截止，门极电流与阳极电流相等，即关断增益β_off为1，实现了单位增益关断。故ETO在整个关断过程中，各单元中的电流均匀分布，不会发生类似于GTO的挤流现象，可实现无吸收的关断。

由于ETO采用硬驱动，降低了门极电路的杂散电感，开通电流脉冲幅度可以更高、上升率更高。用很大的门极电流迅速移除基区电荷，可进一步加速开通过程。所以，ETO的开关速度大大提高，可达GTO的5～10倍。存储时间降为1μs，约为GTO的1/20，电流下降时间缩短为0.5μs左右，故ETO总关断时间很短，低于20μs，约为GTO的1/4。假设开关的最小和最大占空比分别为10%和90%，则ETO最大开关频率可达5kHz^[65]。ETO关断是由MOSFET控制的，故关断比较容易，只需要一个电压信号就可关断数千安的电流。但导通仍然属于电流型控制，需要用一个额外的驱动独立电源，不过驱动电源所需的功率远低于GTO，因此ETO驱动电路的体积很小。

4.驱动方式

ETO门极驱动有常规门极驱动、自驱动及双驱动三种方式^[62]，如图3-66所示。与常规门极驱动相比，自驱动是将门极G₃用MOSFET开关VM_G代替。发射极开关VM_E的压降U_E等于VM_G阈值电压U_T与GTO发射结电压U_J3之差，即U_E=（U_T-U_J3），如图3-66b所示。在正常导通模式下，U_E＜U_T，因此VM_E开通时，VM_G关断，ETO的正向导通时几乎与GTO的完全相同。当阳极电流增加时，VM_E压降U_E增加，VM_G的栅电压U_G也增加。当U_G＞（U_th-U_J3）时，VM_G导通，部分阳极电流被分流到门极通路中。因为电流从门极流出会产生关断ETO的趋势，因此ETO的导电能力下降，电压降也下降，形成负反馈过程，一直持续到阳极电流不随ETO电压增加而增加为止。在平衡条件下，GTO的J₂结反偏，阳极p₁n₁p₂晶体管和阴极n₂p₂n₁晶体管均工作在有源区，使ETO达到大电流饱和状态，且饱和电流由VM_E导通能力控制。可见，自驱动对电流的异常增加可起到吸收和抑制作用。图3-66c所示的双驱动是将正常的门极驱动和自驱动集成在一起形成的。

图3-66 ETO门极驱动方式

5.特点与应用范围

ETO采用硬驱动技术，在保持GTO原有大容量、低通态损耗的基础上，改善了关断性能，提高了开关速度，扩大了反偏安全工作区（RBSOA）。ETO的正偏安全工作区（FBSOA）受正向电流饱和能力限制，并与VM_E的导通能力有关^[63]。此外，ETO更易于并联和串联运行，可进一步提高功率处理能力。目前已开发出6kV/4kA的ETO，主要用于电流源逆变器（CSI），有望在大功率交流和牵引领域占据重要地位。