典型的直接耦合式GTO驱动电路原理介绍
1.3 门极可关断晶闸管(GTO)
t
30 µs
− I GM = (
1 1 − ) I AT0 8 3
4、主要参数 (简介 、 简介) 简介
与晶闸管不同的参数。 与晶闸管不同的参数。 （1）最大可关断阳极电流 ATO ）最大可关断阳极电流I （2）关断增益βoff ） （3）阳极尖峰电压 ） （4）维持电流 ） （5）擎住电流 ）
1.3 门极可关断晶闸管（GTO） 门极可关断晶闸管（ ） 1.3.1 GTO的结构和工作原理 的结构和工作原理
1、GTO的结构 、 的结构 GTO为四层 为四层PNPN结构、三端引出线（A、K、 结构、 为四层 结构 三端引出线（ 、 、 G）的器件。和晶闸管不同的是：GTO内部是由许 ）的器件。和晶闸管不同的是： 内部是由许 多四层结构的小晶闸管并联而成， 多四层结构的小晶闸管并联而成，这些小晶闸管的 门极和阴极并联在一起，成为 门极和阴极并联在一起，成为GTO元，而普通晶闸 元 管是独立元件结构。下图是GTO的结构示意图、等 的结构示意图、 管是独立元件结构。下图是 的结构示意图 效电路及电气符号。 效电路及电气符号。
图1-15
图1-15
图1-15
2、GTO的工作原理 、 的工作原理 （1）开通过程 ） GTO也可等效成两个晶体管 1N1P2和 N1P2N2互连， 也可等效成两个晶体管P 互连， 也可等效成两个晶体管 GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益 1+α2 与晶闸管最大区别就是导通后回路增益α 与晶闸管最大区别就是导通后回路增益 数值不同， 其中α 分别为P1N1P2和 数值不同 ， 其中 α1 和 α2 分别为 P1N1P2 和 N1P2N2 的共基极电流放大倍数。晶闸管的回路增益α 的共基极电流放大倍数。晶闸管的回路增益 1+α2 常为1.15左右 ， 而 GTO的 α1+α2 非常接近 。 因而 左右， 非常接近1。 常为 左右 的 GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳 处于临界饱和状态。 处于临界饱和状态 极电流提供有利条件。 极电流提供有利条件。
电力牵引变流技术GTO、GTR的原理与结构
2.2、GTR的结构及工作原理
对大功率三极管来讲，单靠外壳散热是远远不够的。例如， 50W的硅低频大功率晶体三极管，如果不加散热器工作， 其最大允许耗散功率仅为2—3W
2.2、GTR的结构及工作原理
2 工作原理 在电力电子技术中，GTR与其它的电力电子器 件一般工作于开关状态，在电子技术中，一般工 作于放大状态。晶体管通常连接成共射极电路， NPN型GTR一般工作于正偏（Ib>0)时大电流导通， 反偏时(Ib<0)时处于截止状态。因此，我们通过 控制基极信号，施加足够大功率的脉冲驱动信号， 晶体管将工作于导通与截止状态，这时的GTR与 我们前面学过的全控晶闸管一样，相当于可控制 导通也可控制关断的一个开关。
整个工作过程分为开通过程、导通状态、关断过程、阻断状态4个 不同的阶段。图中开通时间ton对应着GTR由截止到饱和的开通过程，
关断时间toff对应着GTR饱和到截止的关断过程。
ib 90%Ib 1 10%Ib 1 0
Ib 1
t Ib 2 to n to f f Ics ts tf
ic 90%Ics 10%Ics 0
（a）串联电阻调速 (b)直流斩波调速 图2-1 城轨直流牵引传动系统示意图
【学习任务】
2.1、GTO的结构及工作原理
可关断（GTO）的内部结构
2.1、GTO的结构及工作原理
GTO的驱动电路
理想的门极驱动信号（电流、电压）波形如图所示，其中实线为 电流波形，虚线为电压波形。
2.1、GTO的结构及工作原理 GTO的驱动电路
td tr
t0 t1
t2
t3
t4
t5
t
图4-7 开关过程中ib和ic的波形
GTO的基本结构和工作原理 (2)
门极可断晶闸管(gate turn-off thyristor,GTO)就是一种具有自断能力的晶闸管。
处于断态时,如果有阳极正向电压,在其门极加上正向触发脉冲电流后,GTO可由断态转入通态,已处于通态时,门极加上足够大的反向脉冲电流,GTO由通态转入断态。
由于不需用外部电路强迫阳极电流为0而使之关断,仅由门极加脉冲电流去关断它;所以在直流电源供电的DC—DC,DC—AC变换电路中应用时不必设置强迫关断电路。
这就简化了电力变换主电路,提高了工作的可靠性,减少了关断损耗,与SCR相比还可以提高电力电子变换的最高工作频率。
因此,GTO就是一种比较理想的大功率开关器件。
一、结构与工作原理1、结构GTO就是一种PNPN4层结构的半导体器件,其结构、等效电路及图形符号示于图1中。
图1中A、G与K分别表示GTO的阳极、门极与阴极。
α1为P1N1P2晶体管的共基极电流放大系数,α2为N2P2N1晶体管的共基极电流放大系数,图1中的箭头表示各自的多数载流子运动方向。
通常α1比α2小,即P1N1P2晶体管不灵敏,而N2P2N1晶体管灵敏。
GTO导通时器件总的放大系数α1+α2稍大于1,器件处于临界饱与状态,为用门极负信号去关断阳极电流提供了可能性。
普通晶闸管SCR也就是PNPN4层结构,外部引出阳极、门极与阴极,构成一个单元器件。
GTO称为GTO元,它们的门极与阴极分别并联在一起。
与SCR 不同,GTO就是一种多元的功率集成器件,这就是为便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。
GTO的开通与关断过程与每一个GTO元密切相关,但GTO元的特性又不等同于整个GTO器件的特性,多元集成使GTO的开关过程产生了一系列新的问题。
2、开通原理由图1(b)所示的等效电路可以瞧出,当阳极加正向电压,门极同时加正触发信号时,GTO导通,其具体过程如图2所示。
显然这就是一个正反馈过程。
当流入的门极电流I G足以使晶体管N2P2N1的发射极电流增加,进而使晶体管P1N1P2的发射极电流也增加时,α1与α2增加。
GTO驱动电路
门极可关断晶闸管GTO驱动电路1.电力电子器件驱动电路简介电力电子器件的驱动电路是指主电路与控制电路之间的接口，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。
一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。
驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号；对半控型器件只需提供开通控制信号；对全控型器件则既要提供开通控制信号；又要提供关断控制信号。
门极可关断晶闸管简称GTO, 是一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件，它的容量仅次于普通晶闸管，它应用的关键技术之一是其门极驱动电路的设计。
门极驱动电路设计不好，常常造成GTO晶闸管的损坏，而门极关断技术应特别予以重视。
门极可关断晶闸管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。
2.GTO驱动电路的设计要求由于GTO是电流驱动型，所以它的开关频率不高。
GTO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，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。
用理想的门极驱动电流去控制GTO 的开通和关断过程，以提高开关速度，减少开关损耗。
GTO要求有正值的门极脉冲电流，触发其开通；但在关断时，要求很大幅度的负脉冲电流使其关断。
因此全控器件GTO的驱动器比半控型SCR复杂。
门极电路的设计不但关系到元件的可靠导通和关断, 而且直接影响到元件的开关时间、开关损耗, 工作频率、最大重复可控阳极电流等一系列重要指标。
门极电路包括门极开通电路和门极关断电路。
GTO对门极开通电路的要求:GTO的掣住电流比普通晶闸管大得多, 因此在感性负载的情况下, 脉冲宽度要大大加宽。
此外, 普通晶闸管的通态压降比较小, 当其一旦被触发导通后, 触发电流可以完全取消, 但对于GTO, 即使是阻性负载, 为了降低其通态压降, 门极通常仍需保持一定的正向电流, 因此, 门极电路的功耗比普通品闸管的触发电路要大的多。
电力牵引变流技术GTO、GTR的原理与结构
要关断GTR，通常给基极加一个负的电流脉冲。但集电极电流并不能 立即减小，而要经过一段时间才能开始减小，再逐渐降为零。把ib降 为稳态值Ib1的90%的时刻定为t3，ic下降到90% Ics的时刻定为t4， 下降到10%Ics的时刻定为t5，则把t3到t4这段时间称为储存时间，以
ts表示，把t4到t5这段时间称为下降时间，以tf表示。
td tr
t0 t1
t2
t3
t4
t5
t
图4-7 开关过程中ib和ic的波形
图1-17
GTR的开通过程是从t0时刻起注入基极驱动电流，这时并不能立刻产 生集电极电流，过一小段时间后，集电极电流开始上升，逐渐增至饱 和电流值Ics。把ic达到10%Ics的时刻定为t1，达到90%Ics的时刻定 为t2，则把t0到t1这段时间称为延迟时间，以td表示，把t1到t2这段时 间称为上升时间，以tr表示。
GTR导通期间，在任何负载下，基极电流都应使GTR处在临界饱和状 态，这样既可降低导通饱和压降，又可缩短关断时间。
在使GTR关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流（如图4-9波形 所示），以加快关断速度，减小关段损耗。
应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能。
2.2、GTR的结构及工作原理
2.2、GTR的结构及工作原理
大功率晶体管通常采用共发射极接法，图4-4（c)给出 了共发射极接法时的功率晶体管内部主要载流子流动示意
图。图中，1为从基极注入的越过正向偏置发射结的空穴，
2为与电子复合的空穴，3为因热骚动产生的载流子构成 的集电结漏电流，4为越过集电极电流的电子，5为发射 极电子流在基极中因复合而失去的电子。源自【学习目标】
12 第5章 GTO解析
GTO 第14页
5.2.1.3 安全工作区 1 、正向偏置： GTO 是双稳态开 关器件，在正向偏置即门极加 正触发信号时，没有安全工作 区的问题。 ( 见右图轨迹贴近横纵轴） 2、反向偏置： ●GTO在反向偏置有安全工作区 问题。 ●GTO安全工作区定义：在一定 条件下，GTO能够可靠关断的 阳极电流与阳极电压的轨迹。 图6-9。 ●若条件改变，如驱动电路或缓 冲电路参数改变之后，安全工 作区也改变。
GTO 第7页
●导通过程 浅。
与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较
●关断过程：门极加负脉冲即从门极抽出电流，形成强烈 正反馈——
IG↓—→Ib2↓—→IK、Ic2↓—→IA、Ic1↓
↑ 当IA和IK的减小使1+2<1时， 器件退出饱和而关断。
GTO 第8页
●GTO的关断条件:
1+ 2 <1
★全控型，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，水
平4500A/5000V、1000A/9000V。
★ 在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。如电力 有源滤波器、直流输电、静止无功补偿等。
GTO 第3页
GTO 第4页
5.1.1 结构
●与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部
来分析。
●当阳极加正向电压、门极加触发信号时，
GTO导通，具体过程如下：正反馈过程。
● 1+ 2=1是器件临界导通的条件。当 1+ 2>1时，两个
等效晶体管过饱和而使器件导通；当 1+ 2<1时，不能 维持饱和导通而关断。 GTO的掣住电流。
电力电子技术第二章全控型器件驱动与保护
-电力电子技术-
9
自关断器件
浙江大学电气工程学院
三、电压型全控型器件的驱动 1. 功率场效应晶体管(MOSFET)的驱动
（4）专用驱动集成电路 IR21xx系列，IR2101、IR2110、2130等
-电力电子技术-
电容电压不突变，Uce 上升慢 R：限制GTR开通时电容放电 VD：GTR关断时将R短路
（b）开通吸收电路：又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开 通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。
LS：使iC上升慢 RS：GTR关断后，续流电流下降 VD：GTR通时，隔离RS旁路作用
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自关断器件
17
自关断器件
浙江大学电气工程学院
-电力电子技术-
2) 关断过程 电感作用，IC维持，直至Uce → UCC, VDF通，Ic才下降。
解决方法∶ 错开高电压、大电流出现时刻 采用缓冲电路（snubber circuit）， 又称吸收电路来实现
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自关断器件
浙江大学电气工程学院
-电力电子技术-
（a）关断吸收电路：又称为du/dt抑制电路，用于吸收器件的 关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。
浙江大学电气工程学院
-电力电子技术-
（c）复合吸收电路：关断缓冲电路和开通缓冲电路结合 在一起
LS， Rs， VD 组成开通吸收电路
RS，VD，CS组成关断吸收电路
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自关断器件
浙江大学电气工程学院
2. IGBT的保护 措施：
1）检测过流信号，切断栅极控制信号 2）吸收电路抑制过电压，限制 duce
电力电子半导体器件GTO课件 (一)
电力电子半导体器件GTO课件 (一)电力电子半导体器件GTO课件电力电子是一门学科，它旨在控制电力，使其尽可能地适应各种用途。
电力电子半导体器件GTO（Gate Turn-Off thyristor）是电力电子领域比较重要的器件之一，本文将从以下几点介绍电力电子半导体器件GTO课件。
一、GTO器件的概念及特点GTO器件是一种可控硅器件，其结构与普通的可控硅类似，但是比普通可控硅多了一个开关功能。
当把GTO的控制端关闭时，它就可以从导通状态转换到截止状态，从而达到开关的作用。
GTO器件具有结构简单、灵敏度高、操作方便等特点。
二、GTO器件的工作原理GTO器件是一种双向导通的器件，它有两个工作模式：正向导通和反向导通。
正向导通时，控制端导通，主电路中的正向电流可以通过GTO器件流过，从而实现GTO器件的导通；反向导通时，主电路中的电流方向与正向导通时相反，控制端不导通，从而实现GTO器件断路。
GTO器件的工作原理可用三角形结表示。
三、GTO器件的应用领域GTO器件广泛应用于各种电力系统和电路中，包括电机控制、电源调节、换流器、逆变器甚至具有高电压和高功率的应用。
其中，逆变器是GTO 器件比较重要的应用领域之一，它可以将直流电源转换为交流电源，使得它可以更好的适应一些需要交流电源工作的设备。
四、GTO器件的发展历程和趋势GTO器件自1960年发明以来，不断得到完善和改进。
在20世纪80年代，IGBT逆变器逐渐替代了GTO逆变器，但GTO器件的低损耗、高晶体质量和低控制成本等特点，使得它仍然保持了一定的市场份额。
未来，随着新技术的发展，GTO器件仍将有进一步的发展和拓展。
总之，在电力电子领域，GTO器件是一种广泛应用的器件之一，具有灵敏、高效、质量好等特点，大力推广与广泛应用将对促进电力电子技术的发展起到积极的作用。