第4章 门极可关断晶闸管GTO

1、门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTOGTO） 4.1 GTO GTO的结构和工作原理的结构和工作原理 4.2 GTO GTO的动态特性的动态特性 4.4 GTO GTO的主要参数的主要参数 4.4 GTO GTO的驱动的驱动 第第4章章 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 晶闸管的一种派生器件 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断 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 4.1GTO的结构和工作原理的结构和工作原理 结构：结构： 与普通晶闸管的相同点相同点： PNPN四层半导体结构，外部引 出

2、阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的不同点不同点：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。 c) 图1-13 A GKGG K N 1 P 1 N 2 N 2P 2 b)a) A G K 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) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号 GTOGTO的结构和工作原理的结构和工作原理4.1 工作原理：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。 R N PN PN P A G S K E G IG E A

3、 IK Ic2 Ic1 IA V 1 V 2 P 1 A G K N 1 P 2 P 2 N 1 N 2 a)b) 图4.2 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1+ 2=1是器件临界导通的条件。当1+21时，两个等效晶体管过 饱和而使器件导通；当1+21时，不能维持饱和导通而关断。 由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管VT1、VT2分别具有共基极电流 增益1和2。 4.1 GTOGTO的结构和工作原理的结构和工作原理 GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有 如下区别区别： 4.1 （1）设计2较大，使晶体管VT2控制灵敏， 易于GTO关断。 （2）导通时1+2更接近1（1.05

4、，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。 （4）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 。 R N P N P N P A G S K E G I G E A I K I c2 I c1 I A V 1 V 2 b ) 图4.2 晶闸管的工作原理 GTOGTO的结构和工作原理的结构和工作原理 由上述分析我们可以得到以下结论结论： GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。 GTO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

5、和Ic2减小，Ic2的减小又使 IA和Ic1减小， 又进一步减小VT2的基极电流。当IA和IK的减小使1+21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 GTOGTO的结构和工作原理的结构和工作原理 开通过程：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。 。 O t 0 t 图1-14 iG iA IA 90% IA 10% IA tttftstdtr t0t1t2t3t4t5t6 图4.3 GTO的开通和关断过程电流波形 GTOGTO的动态特性的动态特性4.2 关断过程关断过程：与普通晶闸管有所 不同

6、抽取饱和导通时储存的大量载流 子储存时间储存时间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下降时间 tf 。 残存载流子复合尾部时间尾部时间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 。 O t 0 t 图1-14 iG iA IA 90%IA 10%IA tttftstdtr t0t1t2t3t4t5t6 GTOGTO的基本特性的基本特性4.2 图4.4 GTO的开通和关断过程电流波形 G

7、TOGTO的主要参数的主要参数 4.3 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约 12s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。 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。 关断时间关断时间toff 开通时间开通时间ton 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 。 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。 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO 4.3 电流关断增益电流关断增益 off GM ATO off I I = off一般很小，只有5左右，这

8、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 。 GTO额定电流。 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。 GTO的主要参数的主要参数 GTOGTO的驱动电路的驱动电路 门极可关断晶闸管（GTO）的导通过程与普通晶闸管 相似，可以用正门极电流开通。但在关断过程中， GTO可以采用负的门极电流关断，这一点与普通晶闸 管完全不同。 影响关断的因素很多，例如阳极电流越大越难关断， 电感负载较电阻负载难以关断，工作频率越高、结温 越高越难以关断。 所以欲使GTO关断，往往需要具有 特殊的门极关断功能的门极驱动电路。 4.4 GTOGTO

9、的驱动电路的驱动电路 GTO的门极驱动电路通常包括开通驱动电路、关断 驱动电路和门极反偏电路三部分 图4.4门极驱动电路结构示意图及理想的门极驱动电流波形 4.4 1. GTO1. GTO对门极驱动电路的基本要求对门极驱动电路的基本要求 GTOGTO的驱动电路的驱动电路 GTO GTO触发导通要求触发脉冲信号具有前沿陡、幅度高、宽度大、后触发导通要求触发脉冲信号具有前沿陡、幅度高、宽度大、后 沿缓的脉冲波形；沿缓的脉冲波形； 上升沿陡峭的门极电流脉冲有利于上升沿陡峭的门极电流脉冲有利于GTOGTO的快速导通，且可保证使所有的快速导通，且可保证使所有 的的GTOGTO元件几乎同时导通，且使电流分

10、布趋于均匀，通常要求脉冲前元件几乎同时导通，且使电流分布趋于均匀，通常要求脉冲前 沿为沿为 =5=510 10 ； 脉冲幅度高可实现强触发，有利于缩短开通时间，减少开通损耗，为此脉冲幅度高可实现强触发，有利于缩短开通时间，减少开通损耗，为此 一般要求脉冲幅度为额定直流触发电流的一般要求脉冲幅度为额定直流触发电流的4 41010倍；倍； 脉冲有足够的宽度可以保证阳极电流可靠建立，一般取脉宽为脉冲有足够的宽度可以保证阳极电流可靠建立，一般取脉宽为1010 60 60 ； 脉冲后沿尽量平缓可以防止产生振荡，在开通脉冲的尾部出现负的门极脉冲后沿尽量平缓可以防止产生振荡，在开通脉冲的尾部出现负的门极 电

11、流，不利于门极开通。电流，不利于门极开通。 4.4 1) 1) 门极开通门极开通 sA/dtdiGU/ s GTOGTO的驱动电路的驱动电路 已导通的GTO靠门极反向电流来关断，它是GTO应用中的关键问题； 对门极关断脉冲波形的要求是前沿陡、幅度高、宽度足够、后沿平缓。 前沿陡，可以缩短关断时间，减少关断损耗。但前沿不宜过陡，否则会使关断增 益降低，阳极尾部电流增加，对GTO产生不利影响，一般使脉冲电流的上升率 为 =510 ； 为了保证GTO的可靠关断，关断负电压脉冲宽度应不小于40s。关断 电压脉冲的后沿应尽量平缓，如果坡度太陡，由于结电容效应会产生一 个门极正电流（尽管门极电压是负的），

12、使GTO有开通的可能，不利于 关断。 4.4 2 2） 门极关断门极关断 dtdiGD/sA/ GTOGTO的驱动电路的驱动电路 与普通晶闸管相比，GTO由于结构原因使得其承受电 压上升率的能力较差，例如阳极电压上升率较高时可 能会引起误触发。 可以设置一个门极反偏电路，在GTO正向阻断期间于 门极上施加反偏电压，从而提高承受的能力。 但反偏电压的幅度必须小于门极反向雪崩电压，持续时间可以是几 十微秒和整个阻断状态所处的时间，这样有利于GTO的安全运行。 4.4 4 4）门极反偏）门极反偏 GTOGTO的驱动电路的驱动电路 1 C 图图4.54.5门极驱动电路实例门极驱动电路实例1 1 4.4

13、 2.2.门极驱动电路实例门极驱动电路实例1 图4.5是一种小容量的GTO 门极驱动电路。 0=u 1 C 0u 1 C 当当 时，由晶体管时，由晶体管VT1、VT2组成组成 充电，形成充电，形成 的极性为左的极性为左()右右()；当；当 VT4、VT4饱和导通，电容饱和导通，电容 电阻电阻R4、VD1和和VT4放电，形成反向放电，形成反向 的复合管导通，对电容的复合管导通，对电容 正向门极电流，触发正向门极电流，触发GTO导通，电容导通，电容 时，时， 通过通过 门极电流，使门极电流，使GTO关断。关断。 GTOGTO的驱动电路的驱动电路 图4.6门极驱动电路实例2 4.4 2.2.门极驱动电路实例门极驱动电路实例2 实用的双电源光电耦合GTO门极驱动电路如图4.6所示。 电路由导通控制与关 断控制两部分组成，图中 上半部分为导通控制电路， 下半部分为关断控制电路。 每部分电路都由光电 隔离、整形、放大三级电 路组成。 GTOGTO的驱动电路的驱动电路 图4.7门极驱动电路实例2 4.4 2.2.门极驱动电