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门极关断晶闸管GTO特点及应用特性

1119 2022-05-06 来源: IC先生 作者: IC先生

尽管晶闸管被广泛用于大功率应用,但它总是受到半控制器件的影响,即使可以通过施加门信号将其打开,也必须通过使用换向电路中断主电流来将其关闭。

在直流到直流和直流到交流转换电路的情况下,由于没有自然电流为零(如交流电路的情况),这成为晶闸管的严重缺陷。因此,门极关断晶闸管 (GTO) 的开发通过确保通过栅极端子的关断机制来解决晶闸管的主要问题。

GTO

门极关断晶闸管的概念

门极关断晶闸管(GTO是一种三端双极(电流控制少数载流子)半导体开关器件。与传统晶闸管类似,端子为阳极、阴极和栅极,如下图所示,它具有门关闭功能。

它们不仅能够通过栅极驱动电路打开主电流,还能够将其关闭。一个小的正栅极电流触发GTO进入导通模式,并且通过栅极上的负脉冲,它能够被关闭。观察下图可以发现,栅极上有双箭头,用于区分 GTO和普通晶闸管,这表明双向电流流过栅极端子。


GTO符号


关闭GTO所需的栅极电流相对较高。例如,额定电压为4000V和3000A的GTO可能需要-750A的栅极电流才能将其关闭。因此GTO的典型关断增益很低,在4到5的范围内。由于负电流很大,因此GTO用于低功率应用。

另一方面,在导通状态期间,GTO的行为就像一个具有小导通电压降的晶闸管。GTO具有比晶闸管更快的开关速度,并且具有比功率晶体管更高的电压和电流额定值。

目前市场上有几种具有不对称和对称电压能力的GTO。具有相同正向和反向阻塞能力的GTO称为对称GTO (S-GTO)。这些用于电流源逆变器,但速度较慢。由于其较低的导通状态电压降和稳定的温度特性,主要使用非对称 GTO (A-GTO)。

这些非对称GTO具有可观的反向电压能力(通常为20~25 V),这些用于在其两端永远不会出现反向电压或在电路两端连接反向传导二极管的情况下。本文仅介绍非对称GTO。

门极关断晶闸管的结构

可以看看下面的GTO结构,它几乎类似于晶闸管,也是一个像标准晶闸管一样的四层三结PNPN器件。在此,阴极端的n+层被高度掺杂以获得高发射极效率,这导致结J3的击穿电压很低,通常在20~40V的范围内。

p型栅极的掺杂水平是高度分级的,因为掺杂水平应该低以保持高发射极效率,而为了具有良好的关断特性,该区域的掺杂应该高。此外,栅极和阴极应以各种几何形式高度交叉,以优化电流关断能力。

GTO结构

P+阳极和N基极之间的结称为阳极结,需要重掺杂的P+阳极区域来获得更高效率的阳极结,从而实现良好的导通特性。但是,关闭功能会受到此类GTO的影响。

当然,这个问题可以通过在P+阳极层中定期引入重掺杂N+层来解决,如图所示。所以这个N+层在结J1处与N层直接接触,从而导致电子从基极N区域直接行进到阳极金属触点,而不会导致来自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结j3的反向击穿电压,因此加速了关断机制。

然而,随着大量阳极短路,阳极结的效率降低,GTO的开启性能下降。因此,必须仔细考虑这些阳极短路的密度,以获得良好的开启和关闭性能。

门极关断晶闸管的工作原理

GTO的开启操作类似于传统的晶闸管。当通过施加正栅极电流使阳极端子相对于阴极变为正时,从栅极注入的空穴电流正向偏置阴极p基极结。这导致电子从阴极向阳极端子发射,从而引起从阳极端子到基区的空穴注入,这种空穴和电子的注入一直持续到GTO进入导电状态。

在晶闸管的情况下,导通最初是通过打开与栅极端子相邻的阴极区域来开始的。因此,通过等离子体扩散,剩余区域进入传导状态。

与晶闸管不同的是,GTO由狭窄的阴极元件组成,这些元件与栅极端子重度交叉,因此初始导通区域非常大,等离子体扩散很小,这样GTO很快进入导通状态。

GTO打开和关闭

要关闭导电GTO,通过使栅极相对于阴极为负而在栅极处施加反向偏压。来自P基极层的部分空穴通过栅极提取,抑制了来自阴极的电子注入。

作为对此的响应,更多的空穴电流通过栅极提取,从而更多地抑制来自阴极的电子。最终,跨p基极结的电压降导致栅极阴极结反向偏置,因此GTO关闭。

在空穴提取过程中,p-基区逐渐耗尽,从而使导电区受到挤压。随着该过程的继续,阳极电流流过偏远区域,形成高电流密度灯丝。这会导致局部热点,除非这些灯丝迅速熄灭,否则可能会损坏设备。

此外,通过施加高负栅极电压,这些灯丝迅速熄灭。由于N基区存储了电荷,即使阴极电流停止,阳极到栅极的电流也会继续流动。这称为尾电流,随着复合过程减少多余的电荷载流子,尾电流呈指数衰减。一旦尾电流降低到漏电流水平,器件就会保持其正向阻断特性。

门极关断晶闸管的主要特点

导通时,GTO的动作与晶闸管相似,因此第一象限特性与晶闸管相似。当阳极相对于阴极为正时,该装置以正向阻断模式运行。通过施加正栅极信号触发GTO进入导通状态。

如下图所示,与晶闸管相比,GTO中的锁存电流和正向泄漏电流要高得多。如果阳极电流高于保持电流水平,则可以移除栅极驱动。但是,建议不要在导通期间移除正栅极驱动,并保持在大于最大临界栅极电流的值,这是因为阴极被细分为如上所述的小指状元件以帮助关闭过程。

这样会导致阳极电流暂时低于保持电流水平,从而迫使高阳极电流以高速率返回GTO。这可能具有潜在的破坏性。因此,一些制造商推荐在导通状态下使用连续的栅极信号。

GTO特性

GTO可以通过施加反向栅极电流来关闭,反向栅极电流可以是步进驱动或斜坡驱动。GTO可以在不反转阳极电压的情况下关闭,图中的虚线显示了感性负载关断期间的IV轨迹。需要注意的是,在关断期间,GTO只能阻断一个额定正向电压。

为避免在关闭期间触发dv/dt并保护器件,必须在栅极和阴极之间连接推荐的电阻值,或者必须在栅极端子上保持较小的反向偏置电压(通常为-2V)。这可以防止栅极阴极结变为正向偏置,因此GTO在关闭状态期间保持不变。

在GTO的反向偏置条件下,阻断能力取决于GTO的类型。一般情况下,对称GTO具有较高的反向阻断能力,而非对称GTO具有较小的反向阻断能力。

可以观察到,在反向偏置条件下,在一个小的反向电压(20~30 V)之后,由于阳极短路结构,GTO开始反向导通。这种操作模式不会破坏器件,前提是栅极为负偏置并且此操作的时间应该很短。

门极关断晶闸管应用

由于具有出色的开关特性、无需换向电路、免维护操作等优点,使得GTO在许多应用中的使用优于晶闸管,可以用作斩波器和逆变器的主控制装置。其中一些应用程序是:

  • 交流驱动器
  • 直流驱动器或直流斩波器
  • 交流稳压电源
  • 直流断路器
  • 感应加热
  • 一些低功耗应用

总结

简单概况来说就是,GTO和普通晶闸管一样,是PNPN四层半导体结构,外部也是引出阳极、阴极和门极。但和普通晶闸管不同的是,GTO是一种多元的功率集成器件,主要是用作开关,起到阻断和导通作用。

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