显然,当门极出现iG1或iG2时,GTO正向转折电压大大降低,因而器件的正向额定电压相应降低。
(2)通态压降特性
GTO的通态压降特性如图(7)所示。
结温不同,GTO的通态压降UA随着阳极通态电流IA的增加而增加,只是趋势不尽相同。
图(7)中所示曲线为GFF200E型GTO的通态压降特性。
一般希望通态压降越小越好;管压降小,GTO的通态损耗小。
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2、动态特性
GTO的动态特性是指GTO从断态到通态、从通态到断态的变化过程中,电压、电流以及功率损耗随时间变化的规律。
(1)GTO的开通特性
GTO的开通特性如图(8)所示。
当阳极施以正电压,门极注入一定电流时,阳极电流大于擎住电流之后,GTO完全导通。
开通时间ton由延迟时间表td和上升时间tr组成。
ton的大小取决于元件特性、门极电流上升率diG/dt以及门极脉冲幅值的大小。
由图可知,在延迟时间内功率损耗比较小,大部分的开通损耗出现在上升时间内。
当阳极电压一定时,每个脉冲GTO开通损耗将随着峰值阳极电流IA的增加而增加。
(2)GTO的关断特性
GTO的门极、阴极加适当负脉冲时,可关断导通着的GTO阳极电流。
关断过程中阳极电流、电压及关断功率损耗随时间变化的曲线,以及关断过程中门极电流、电压及阳极电流、电压随时间变化的曲线如图(9)所示。
由图(9)可以看出,整个关断过程可由3个不同的时间间隔来表示,即存储时间ts、下降时间tf和尾部时间tt。
存储时间ts对应着从关断过程开始,到出现α1+α2=1状态为止的一段时间间隔,在这段时间内从门极抽出大量过剩载流子,GTO的导通区不断被压缩,但总的电流几乎不变。
下降时间tf对应着阳极电流迅速下降,门极电流不断上升和门极反电压开始建立的过程,在这段时间里,GTO中心结开始退出饱和,继续从门极抽出载流子。
尾部时间tt则是指从阳极电流降到极小值开始,直到最终达到维持电流为止的电流时间。
在这段时间内仍有残存的载流子被抽出,但是阳极电压已建立;因此很容易由于过高的重加du/dt,使GTO关断失效,这一点必须充分重视。
GTO的基本结构和工作原理
GTO的基本结构
GTO是一种电流控制型的自关断双极器件,当门极引入正向电流时导通,引入反向电流是关断,但不能像GTR那样在门极信号撤除时也能自行关断。
这就是说,GTO跟普通晶闸管一样,一旦导通即能在导通状态下自锁(Latch-up),是一种必须靠门极电流的极性变化来改变通断状态的晶闸管。
图3-1GTO并联单元结构的断面示意图
GTO的基本结构与基本工作原理与普通晶闸管大同小异,只是为了实现门极关断和提高门极的控制能力而扩大了P基区(门极区)对N+发射区(阴极区)的相对面积,并将N+发射区化整为零,分置与P区环绕之中,这些分离开的微小N+发射区通过共用P基区,N+基区,P发射区,形成GTO的管芯的全部晶闸管单元,每个单元晶闸管各有其独立的阴极,通常用压接方式把他们并联于同一阴极压块上。
GTO的阳极通常是烧结在公共P发射区表面的钼片或钨片,而门极则是淀积在P基区表面的梳状铝层。
对于面积较大的圆形芯片,门极可做成多级同心梳状环,梳齿与排成环状的单元相间。
其中图3-1所示为GTO管芯的局部断面示意图。
GTO的阴极和门极并不在同一平面上,这有利于阴极的压接和门极的引出。
同时,每个晶闸管单元为J3结通过台面造型也改善了结表面的电压阻断能力。
由此可见,GTO的制造工艺比普通晶闸管的制造工艺精细的多,复杂的多。
3.1.2GTO的工作原理
GTO同普通晶闸管在结构上的主要区别,除了化整为零这一点外,还有两个显著之点。
其一是GTO用门极包围阴极,而普通晶闸管用阴极包围门极,不管是中央门极结构还是放射状门极结构;其二是GTO没有阴极短路点。
为了改善GTO关断特性和高温特性,有在阳极设短路点的所谓阳极短路型GTO,这种GTO的反向阻断能力较差。
就每个单元而言,GTO的开通过程与普通晶闸管完全相同,也是靠门极注入正向电流来满足导通条件:
α1+α2>1,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,J2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,J3结从外向里逐渐恢复阻断作用。
当等离子体收缩到一定限度时,J3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3-2GTO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A→K。
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tf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。