门极换流晶闸管GCT的门－阴极结构设计方法

摘要

本发明公开了一种门极换流晶闸管GCT的门－阴极结构设计方法，该方法包括，首先确定GCT的门－阴极横向尺寸，确定梯形阴极单元图形尺寸和单元外围尺寸，再确定梯形阴极单元的个数，最后确定每环排列的单元个数，将阴极指条设计为梯形状，按同心环排列在整个阴极面上，并且从里到外，梯形的面积逐渐减小。按本发明设计方法得到的GCT的门－阴极结构，不仅可以增加器件的有效阴极面积，使其在导通时流过更大的电流，而且对器件关断时电流的分布没有任何影响，从而使通态电流容量得到提高。

主权项

1.一种门极换流晶闸管GCT的门-阴极结构设计方法，将阴极指条设计为梯形状，按同心环排列在整个阴极面上，并且从里到外，梯形的面积逐渐减小，该方法包括：首先确定GCT的门-阴极横向尺寸根据门极特性指标即根据实际需要的门极触发电流和触发电压来确定GCT的门-阴极横向尺寸，包括中心门极的半径r_g、第一环阴极指条到中心门极的内半径r₁、第二环阴极指条到中心门极的内半径r₂、第三环阴极指条到中心门极的内半径r₃、第四环阴极指条到中心门极的内半径r₄、第五环阴极指条到中心门极的内半径r₅、第六环阴极指条到中心门极的内半径r₆、第六环以上内半径，及阴极管芯外围台面磨角腐蚀的预留尺寸r_t、整个管芯的半径R、阴极单元间距D，即2d，其特征在于，该方法还包括以下步骤：其次确定阴极单元图形尺寸和单元外围尺寸根据最大可关断电流指标I_TGQM满足下式 $I_{\mathrm{TGQM}}=\frac{4V_{\mathrm{BRJ}3}}{R_{\mathrm{kp}}}$和 $R_{\mathrm{kp}}={\rho }_{p2}\frac{w}{W_{P2}·l}$其中，V_BRJ3为J₃结的击穿电压，R_pk为电流垂直于径向方向的P基区横向电阻，ρ_p2为P基区的平均电阻率，W_p2为P基区的厚度，长度l取2.6mm～4mm，得到指条宽度w，确定阴极单元图形为梯形，梯形指条单元的内边宽w_内＝w，梯形指条高度h＝l，梯形指条单元图形的面积为：阴极单元图形外围尺寸：内边宽W_内＝w_内+2d，外边宽W_外＝w_外+2d，高H＝h+2d，门-阴单元阴极图形的面积为：再次确定阴极单元的个数最大可关断电流I_TGQM与电流密度J的比值即总的阴极单元个数；最后确定每环排列的单元个数根据已确定每环阴极指条内边到中心门极的间距r_i及阴极单元的指条的梯形的高h及阴极指条的间距2d＝D，可计算出每一环阴极指条到中心门极的内周长L_内I，再除以门-阴极单元的内边宽W_内I，初步得到每一环的单元个数，因为阴极单元的个数必须为整数，所以取整后即可确定每一环的单元个数N_i，再反推出每一环阴极指条的内边宽w_内i和外边宽w_内I，第一环阴极指条到中心门极的内周长L_内l为：L_内l＝r₁×2π用第一环的内周长L_内l除以第一环阴极单元内边宽和间距之和，即得到第一环内排列的门-阴极单元个数，N_l＝L_内l/(w_内+2d)对N_l取整后，再根据L_内l和N_l推出则单元内边宽W_内l和阴极指条的内边宽w_内l分别为：W_内l＝L_内l/N_lw_内l＝W_内l-2d第一环阴极指条到中心门极的外周长L_外l为：L_外l＝(r₁+l)×2πW_外l＝L_外l/Nw_外l＝W_外l-2d于是，第一环单元面积S_单元l和梯形阴极指条的面积S_梯形l分别为：第二环，第三环，以及第三环以上的单元数目及相关尺寸计算利用以下通式：L_内i＝r_i×2π，N_i＝L_内i/(2d+w_内)，并取整，W_内i＝L_内i/N_iw_内i＝W_内i-2dL_外i＝(r_i+l)×2πW_外i＝L_外i/Nw_外i＝W_外i-2di＝2，3，……得到的各环阴极指条单元数目，按同心环排列，即完成了GCT的门-阴极结构设计。