一种新型IGCT——GATH

一、GATH是什么？

（一）GATH的由来

1、IGCT及其优势、弱点

IGCT（集成门极换相晶闸管） 1997年由ABB公司提出，具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、低导通损耗等特点，成品率高，成本低。但是，由于IGCT具有dI/dt和dV/dt限制问题，开关速度慢、驱动功耗大，圆片管芯、应用领域受限等弱点。因此，中高功率领域IGBT占据主流地位。

IGCT的这些弱点，源于IGCT的元胞大（1mm），元胞内部的电流不均匀，内阻大，驱动困难，要“硬驱动”。如果能够把元胞尺寸缩小到跟MOSFET/IGBT差不多，就能解决IGCT的问题。

2、GATH的提出

2018年杭州优捷敏半导体提出一种新型IGCT——GATH（ Gate  Associated  THyristor ），联栅晶闸管。

GATH的改进是：

（1）GATH元胞10um，发射极窗口的宽长比比IGCT小3个数量级，驱动内阻比IGCT低3个数量级，解决了IGCT的开通集边、关断挤流等主要问题，驱动功耗仅为IGCT的几分之一，不需要外加电抗控制dI/dt。GATH驱动简单，容易实现。

GATH采用多晶硅发射极和栅上无铝（仅在栅汇流条上有铝）的结构，如图1所示：

图1  GATH结构示意图

（2）GATH是方形芯片，单颗管芯从400V ~6500V，5A~600A，将IGCT的优点延伸至中高功率领域，适用于IGBT应用领域。

二、GATH结构与IGBT结构比较

表1：IGBT结构带来性能特点

GATH结构与IGBT结构相比，由于GATH结构无闩锁，性能提升如下：

1、抗浪涌能力强

功率管过压会雪崩，产生雪崩电流。

GATH，由于栅区与器件内部连通，而且元胞微细，横向电阻即驱动内阻非常小，比IGCT小几个数量级，因此，能够通过栅区把雪崩电流拉走，而不会误触发晶闸管。如图2所示：

图2   GATH在关断和阻断期间的电流流向示意图

IGBT的栅是绝缘栅，雪崩电流不能通过栅极金属层拉走，只能从元胞流出。当雪崩电流密度超过某个临界点，就会触发晶闸管效应，导致闩锁。如图3所示：

图3  IGBT在关断和阻断期间的电流流向示意图

最大电流输出能力测试：在同样供电电压600V下，1200V 20A GATH(20N12)输出近1000A，IGBT在123A左右；25T120_IGBT(紫红色③为电流)。

图4 IGBT（25T120，1200V 25A）

图5 GATH（20N12，1200V 20A）

根据实验计算：     

表2 GATH与IGBT最大脉冲电流密度比较

2、抗短路能力强      

表3  IGBT、IGCT、GATH的抗短路时间比较

3、最高工作温度

表4 各种器件的最高工作温度比较

4、GATH与IGBT性能对比

表5：GATH与IGBT性能对比

综上所述，GATH具有抗浪涌能力强、短路保护能力强、最高工作温度高、高电流密度、高功率密度、低导通损耗、低成本等优势。弱点是：GATH驱动功耗比IGBT大。欢迎大家验证（1200V/1700V系列产品，免费送样[3]）。