一、GATH是什么？

（一）GATH的由來

1、IGCT及其優勢、弱點

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、開關頻率高、可靠性高、低導通損耗等特點，成品率高，成本低。但是，由于IGCT具有dI/dt和dV/dt限制問題，開關速度慢、驅動功耗大，圓片管芯、應用領域受限等弱點。因此，中高功率領域IGBT占據主流地位。

IGCT的這些弱點，源于IGCT的元胞大（1mm），元胞內部的電流不均勻，內阻大，驅動困難，要“硬驅動”。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年杭州優捷敏半導體提出一種新型IGCT——GATH（ Gate  Associated  THyristor ），聯柵晶閘管。

GATH的改進是：

（1）GATH元胞10um，發射極窗口的寬長比比IGCT小3個數量級，驅動內阻比IGCT低3個數量級，解決了IGCT的開通集邊、關斷擠流等主要問題，驅動功耗僅為IGCT的幾分之一，不需要外加電抗控制dI/dt。GATH驅動簡單，容易實現。

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

圖1  GATH結構示意圖

（2）GATH是方形芯片，單顆管芯從400V ~6500V，5A~600A，將IGCT的優點延伸至中高功率領域，適用于IGBT應用領域。

二、GATH結構與IGBT結構比較

表1：IGBT結構帶來性能特點

GATH結構與IGBT結構相比，由于GATH結構無閂鎖，性能提升如下：

1、抗浪涌能力強

功率管過壓會雪崩，產生雪崩電流。

GATH，由于柵區與器件內部連通，而且元胞微細，橫向電阻即驅動內阻非常小，比IGCT小幾個數量級，因此，能夠通過柵區把雪崩電流拉走，而不會誤觸發晶閘管。如圖2所示：

圖2   GATH在關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。當雪崩電流密度超過某個臨界點，就會觸發晶閘管效應，導致閂鎖。如圖3所示：

圖3  IGBT在關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）

根據實驗計算：     

表2 GATH與IGBT最大脈沖電流密度比較

2、抗短路能力強      

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、短路保護能力強、最高工作溫度高、高電流密度、高功率密度、低導通損耗、低成本等優勢。弱點是：GATH驅動功耗比IGBT大。歡迎大家驗證（1200V/1700V系列產品，免費送樣[3]）。