一、GATH是什么？

（一）GATH的由來

1、IGCT及其優(yōu)勢、弱點(diǎn)

IGCT（集成門極換相晶閘管） 1997年由ABB公司提出，具有電流大、阻斷電壓高、開關(guān)頻率高、可靠性高、低導(dǎo)通損耗等特點(diǎn)，成品率高，成本低。但是，由于IGCT具有dI/dt和dV/dt限制問題，開關(guān)速度慢、驅(qū)動功耗大，圓片管芯、應(yīng)用領(lǐng)域受限等弱點(diǎn)。因此，中高功率領(lǐng)域IGBT占據(jù)主流地位。

IGCT的這些弱點(diǎn)，源于IGCT的元胞大（1mm），元胞內(nèi)部的電流不均勻，內(nèi)阻大，驅(qū)動困難，要“硬驅(qū)動”。如果能夠把元胞尺寸縮小到跟MOSFET/IGBT差不多，就能解決IGCT的問題。

2、GATH的提出

2018年杭州優(yōu)捷敏半導(dǎo)體提出一種新型IGCT——GATH（ Gate  Associated  THyristor ），聯(lián)柵晶閘管。

GATH的改進(jìn)是：

（1）GATH元胞10um，發(fā)射極窗口的寬長比比IGCT小3個數(shù)量級，驅(qū)動內(nèi)阻比IGCT低3個數(shù)量級，解決了IGCT的開通集邊、關(guān)斷擠流等主要問題，驅(qū)動功耗僅為IGCT的幾分之一，不需要外加電抗控制dI/dt。GATH驅(qū)動簡單，容易實(shí)現(xiàn)。

GATH采用多晶硅發(fā)射極和柵上無鋁（僅在柵匯流條上有鋁）的結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

圖1  GATH結(jié)構(gòu)示意圖

（2）GATH是方形芯片，單顆管芯從400V ~6500V，5A~600A，將IGCT的優(yōu)點(diǎn)延伸至中高功率領(lǐng)域，適用于IGBT應(yīng)用領(lǐng)域。

二、GATH結(jié)構(gòu)與IGBT結(jié)構(gòu)比較

表1：IGBT結(jié)構(gòu)帶來性能特點(diǎn)

GATH結(jié)構(gòu)與IGBT結(jié)構(gòu)相比，由于GATH結(jié)構(gòu)無閂鎖，性能提升如下：

1、抗浪涌能力強(qiáng)

功率管過壓會雪崩，產(chǎn)生雪崩電流。

GATH，由于柵區(qū)與器件內(nèi)部連通，而且元胞微細(xì)，橫向電阻即驅(qū)動內(nèi)阻非常小，比IGCT小幾個數(shù)量級，因此，能夠通過柵區(qū)把雪崩電流拉走，而不會誤觸發(fā)晶閘管。如圖2所示：

圖2   GATH在關(guān)斷和阻斷期間的電流流向示意圖

IGBT的柵是絕緣柵，雪崩電流不能通過柵極金屬層拉走，只能從元胞流出。當(dāng)雪崩電流密度超過某個臨界點(diǎn)，就會觸發(fā)晶閘管效應(yīng)，導(dǎo)致閂鎖。如圖3所示：

圖3  IGBT在關(guān)斷和阻斷期間的電流流向示意圖

最大電流輸出能力測試：在同樣供電電壓600V下，1200V 20A GATH(20N12)輸出近1000A，IGBT在123A左右；25T120_IGBT(紫紅色③為電流)。

圖4 IGBT（25T120，1200V 25A）

圖5 GATH（20N12，1200V 20A）

根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算：     

表2 GATH與IGBT最大脈沖電流密度比較

2、抗短路能力強(qiáng)      

表3  IGBT、IGCT、GATH的抗短路時間比較

3、最高工作溫度

表4 各種器件的最高工作溫度比較

4、GATH與IGBT性能對比

表5：GATH與IGBT性能對比

綜上所述，GATH具有抗浪涌能力強(qiáng)、短路保護(hù)能力強(qiáng)、最高工作溫度高、高電流密度、高功率密度、低導(dǎo)通損耗、低成本等優(yōu)勢。弱點(diǎn)是：GATH驅(qū)動功耗比IGBT大。歡迎大家驗(yàn)證（1200V/1700V系列產(chǎn)品，免費(fèi)送樣[3]）。