第四章全控电力电子器件 门极可关断晶闸管—在晶闸管问世后不久出现 20世纪80年代以来,信息电子技术与电力电子技术在各 发展的基础上相结合——高频化、全控型、采用集成电 路制造工艺的电力电子器件,从而将电力电子技术又带入 了一个崭新时代 典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体 管、绝缘栅双极晶体管
第 四章 全控电力电子器件 门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现 20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各 发展的基础上相结合——高频化、全控型、采用集成电 路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入 了一个崭新时代 典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体 管、绝缘栅双极晶体管
41门极可关断晶闸管 1、门极可关断晶闸管(Gate-Turn-0 ff Thyristor GTO) 2、晶闸管的一种派生器件 3、可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断 4、GTO的电压、电流容量较大,与普通晶闸管接近,因而 在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用
1、门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor—— GTO） 2、晶闸管的一种派生器件 3、可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断 4、GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而 在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用 4.1 门极可关断晶闸管
4.1.1.GT0的结构和工作原理 、结构: 1、与普通晶闸管的相同点:PNPN四层半导体结构,外部引出阳极 阴极和门极 2、和普通晶闸管的不同:GTO是一种多元的功率集成器件,内部包含 数十个甚至数百个共阳极的小GTO元,这些GTO元的阴极和门极 则在器件内部并联在一起 mmm 图4-1GT0的内部结构和电气图形符号 a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b)b)并联单元结构断面示意图 c)c)电气图形符号
4.1.1. GTO的结构和工作原理 一、结构： 1、与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、 阴极和门极 2、和普通晶闸管的不同：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含 数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极 则在器件内部并联在一起 图4-1 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) b) 并联单元结构断面示意图 c) c) 电气图形符号
二、工作原理: 与普通晶闸管一样,可以用图4-2所示的双晶体管模型来分析 ax十+a2=1是器件临界导通的条件。当a1+a21时,两个等效晶体管过饱和而使器件导通 当a1+a2<1时,不能维持饱和导通而关断 OGT0能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别: (1)设计α2较大,使晶体管V2控制灵敏,易于GTO关断 (2)导通时ax1+a2更接近1(≈1.05,普通晶闸管a1+a2≥1.15) 导通时饱和不深,接近临界饱和,有利门极控制关断,但导通时管压降增大 (3)多元集成结构使GT0元阴极面积很小,门、阴极间距大为缩短,使得P2基区横向电 阻很小,能从门极抽出较大电流 导通过程与普通晶闸管一样,只是导通时饱和程度较浅 关断过程:强烈正反馈——门极加负脉冲即从门极抽出电流,则2减小,使和l2 减小,I2的减小又使l和1减小,又进一步减小V2的基极电流 当l和的减小使a1+a2(1时,器件退出饱和而关断 多元集成结构还使GT0比普通晶闸管开通过程快,承受di/dt能力强
二、工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用图4-2所示的双晶体管模型来分析 1+2=1是器件临界导通的条件。当1+2>1时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通； 当1+2<1时，不能维持饱和导通而关断 Ø GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别： （1） 设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断 （2） 导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15） 导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大 （3） 多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电 阻很小，能从门极抽出较大电流 导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅 关断过程：强烈正反馈——门极加负脉冲即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2 减小，Ic2的减小又使IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流 当IA和IK的减小使1+2<1时，器件退出饱和而关断 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强
4.1.2.GT0的特性和主要参数 1.GT0的特性 开通过程:与普通晶闸管类似,需经过延迟时间t和上升时间t 关断过程:与普通晶闸管有所不同 抽取饱和导通时储存的大量载流子——储存时间t,使等效晶体管退出饱和 等效晶体管从饱和区退至放大区,阳极电流逐渐减小——下降时间t 残存载流子复合——尾部时间t 通常t比t小得多,而t比t要长 门极负脉冲电流幅值越大,前沿越陡, 抽走储存载流子的速度越快,t越短O 门极负脉冲的后沿缓慢衰减,在t阶 段仍保持适当负电压,则可缩短尾部 时间 90% 二-二二二 图4-3GT0的开通和关断过程电流波形图1-14
4.1.2. GTO的特性和主要参数 1. GTO的特性 开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr 关断过程：与普通晶闸管有所不同 抽取饱和导通时储存的大量载流子——储存时间ts，使等效晶体管退出饱和 等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小——下降时间tf 残存载流子复合——尾部时间tt 通常tf比ts小得多，而tt比ts要长 门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡， 抽走储存载流子的速度越快，ts越短 门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶 段仍保持适当负电压，则可缩短尾部 时间 图4-3 GTO的开通和关断过程电流波形 O t 0 t 图1-14 iG iA IA 90% IA 10% IA t t t f t s t d t r t 0 t 1 t 2 t 3 t
2.GT0的主要参数 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同,以下只介绍意义不同的参数 1)1)最大可关断阳极电流nGT0额定电流 2)2)电流关断增益βar最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值lc之比 称为电流关断增益 (1-8) r-般很小,只有5左右,这是GT0的一个主要缺点。1000的GTO关断时门极负脉 冲电流峰值要200A 3)3)开通时间tn延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12us,上升时 间则随通态阳极电流值的增大而增大 4)4)关断时间t一般指储存时间和下降时间之和,不包括尾部时间。GT0的 储存时间随阳极电流的增大而增大,下降时间一般小于2μs 不少GT0都制造成逆导型,类似于逆导晶闸管,需承受反压时,应和电力二极管串 联
2. GTO的主要参数 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数 1) 1) 最大可关断阳极电流IATO GTO额定电流 2) 2) 电流关断增益off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比 称为电流关断增益 （1-8） off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉 冲电流峰值要200A 3) 3) 开通时间ton 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1~2s，上升时 间则随通态阳极电流值的增大而增大 4) 4) 关断时间toff 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。GTO的 储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串 联