GTO驱动电路
四种典型全控型器件比较
四种典型全控型器件的比较四种典型全控型器件的比较一、 对四种典型全控型器件的介绍1、门极可关断晶闸管(GTO ) 1）GTO 的结构与工作原理芯片的实际图形 GTO 结构的纵断面 GTO 结构的纵断面 图形符号GTO 的内部结构和电气图形符号2）工作原理：设计α2较大，使晶体管V2控 制灵敏。
导通时α1+α 2= 1.05更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。
多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。
下图为工作原理图。
22222、电力晶体管(GTR) 1）电力晶体管的结构：R NPNPNPA G SK E GI G E AI K I c2I c1I A V 1V 2b)内部结构电气图形符号NPN型电力晶体管的内部结构及电气图形符号2）工作原理：在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。
晶体管通常连接成共发射极电路，GTR通常工作在正偏(I b＞0)时大电流导通；反偏(I b＜0)时处于截止状态。
因此，给GTR的基吸施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。
3、电力场效应晶体管(Power MOSFET)1）电力MOSFET的结构MOSFET元组成剖面图图形符号电力MOSFET采取两次扩散工艺，并将漏极D移到芯片的另一侧表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和提高电流密度。
2)电力MOSFET的工作原理：当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源极之间电压为零或为负时，P型区和N-型漂移区之间的PN结反向，漏源极之间无电流流过。
如果在栅极和源极间加正向电压U GS，由于栅极是绝缘的，不会有电流。
但栅极的正电压所形成的电场的感应作用却会将其下面的P 型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P型区表面。
当u GS大于某一电压值U GS(th)时，栅极下面的P型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型反型成N型，沟通了漏极和源极。
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
12 第5章 GTO
★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
GTO 第17页
（2）下降时间tf ●下降时间 tf 对应着阳极电 流迅速下降，阳极电压不 断上升和门极反电压开始 建立的过程。
●这段时间里，等效晶体管 从饱和区退至放大区，继 续从门极抽出载流子，阳 极电流逐渐减小。
●门极电流逐渐减小。
GTO 第18页
（3）尾部时间tt ●尾部时间 tt 是指从阳极电 流降到极小值开始，直 到降到维持电流为止的 时间。 ●这段时间内，残存载流 子被抽出。 ●一般： tt > ts >tf
GTO 第29页
5.3 GTO的缓冲电路
5.3.1 缓冲电路的作用
1、GTO缓冲电路主要作用： (1) GTO关断时，在阳极电流下降阶段，抑制阳极电压 VAK 中的尖峰 VP ，对 IA 进行分流，以降低关断损耗， 防止导通区减小、电流密度过大、引起结温升高， 和α1、α2增大给关断带来困难。 GTO开通时，缓冲电容通过电阻向GTO放电，有助 于所有GTO元迅速达到擎住电流，尤其是主电路为 电感负载时。
I ATO I GM
●一切影响IATO和IGM的因素均会影响βoff。 3、 阳极尖峰电压VP ●阳极尖峰电压VP是在下降时间末尾出现的极值电压。 ●它几乎随阳极可关断电流线性增加， VP 过高可能导致
GTO失效。
电力电子半导体器件(GTO)
掩埋门极GTO
逆导GTO
MOS—GTO
光控GTO§6.2 特性与参数一、静态特性
1．阳极伏安特性*
减小温度影响，可在门极与阴极间并一个电阻定义：正向额定电压为90%VDRM反向额定电压为90%VRRM
毛刺电流2．通态压降特性
通态压降越小，通态损耗越小
尽量缩短缓冲电路的引线，采用快恢复二极管和无感电容。
4．dv/dt和di/dt
①dv/dt ：①dv/dt ：
静态dv/dt 指GTO阻断时所能承受的最大电压上升率，过高
会使GTO结电容流过较大的位移电流，使α增大，印发误导通。
结温和阳极电压越高，GTO承受静态dv/dt 能力越低；门极反偏
10．关断时间：toff为存储时间
ts与下降时间tf之和。随阳极电流增大而增大2us随阳极电流增大而增大2us可关断晶闸管的主要参数和电气特性:§6.3 GTO的缓冲电路一、缓冲电路的作用
GT0的缓冲电路除用来抑制换相过电压，限制dv/dt，
，，
，动态
均压之外，还关系到GTO的可靠开通和关断，尤其是GTO的关
②下降阶段：tfIG变化到最大值－
IGM时，P1N1P2晶体管退出饱和，N1P2N2晶体管恢复控制能力，α1、α2不断减小，内部正反馈停止。
阳极电流开始下降，电压上升，关断损耗较大。尤其在感性
负载条件下，阳极电压、电流可能同时出现最大值，此时关负载条件下，阳极电压、电流可能同时出现最大值，此时关
特点：
①α1<
α212P1N1P2管不灵敏，
N1P2N2管灵敏。
②α1+
α2略大于1；器件
电力电子技术第三章 全控型器件的驱动
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2.专用集成驱动电路芯片 1)驱动电路与IGBT栅射极接线长度应小于1m，并使用双绕线，以提 高抗干扰能力。
图3-9 电力MOSFET的一种驱动电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
3z10.tif
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2)如果发现IGBT集电极上产生较大的电压脉冲，应增加栅极串接电 阻RG的阻值。 3)图3-10中外接两个电容为47μF，是用来吸收电源接线阻抗变化引 起的电源电压波动。
图3-6 抗饱和电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
图中VD1、VD2为抗饱和二极管，VD3为反向基极电流提供回路。在 轻载情况下，GTR饱和深度加剧使UCE减小，A点电位高于集电极电 位，二极管VD2导通，使流过二极管VD1的基极电流IB减小，从而减 小了GTR的饱和深度。抗饱和基极驱动电路使GTR在不同的集电极 电流情况下，集电结处于零偏或轻微正向偏置的准饱和状态，以缩 短存储时间。在不同负载情况下以及在应用离散性较大的GTR时， 存储时间趋向一致。应当注意的是，VD2为钳位二极管，它必须是 快速恢复二极管，该二极管的耐压也必须和GTR的耐压相当。因电 路工作于准饱和状态，其正向压降增加，也增大了导通损耗。
图3-2 门极控制电路 结构示意图
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(1)开通控制 开通控制要求门极电流脉冲的前沿陡、幅度高、宽 度大及后沿缓。
图3-3 推荐的GTO门极控制 信号波形
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(2)关断控制 GTO的关断控制是靠门极驱动电路从门极抽出P2基区 的存储电荷，门极负电压越大，关断的越快。 (3)GTO的门极驱动电路 GTO的门极控制电路包括开通电路、关断 电路和反偏电路。 间接驱动是驱动电路通过脉冲变压器与GTO门极相连，其优点是： GTO主电路与门极控制电路之间由脉冲变压器或光耦合器件实现电 气隔离，控制系统较为安全；脉冲变压器有变换阻抗的作用，可使 驱动电路的脉冲功率放大器件电流大幅度减小。缺点是：输出变压 器的漏感使输出电流脉冲前沿陡度受到限制，输出变压器的寄生电 感和电容易产生寄生振荡，影响GTO的正确开通和关断。此外，隔 离器件本身的响应速度将影响驱动信号的快速
GTO驱动电路
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。
GTO、GTR的原理与结构
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。
td
t 延迟时间 和上升时间 和是GTR从关断到导通所需要的时间，
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。
【学习目标】
1、熟悉电力晶体管、可关断晶闸管的结构，熟练 掌握其工作原理、检测方法及触发电路。
2、熟练掌握直流斩波电路的ห้องสมุดไป่ตู้作原理。 3、熟练掌握城轨车辆直-直型调速主电路工作原
理及基本控制方式。 4、掌握城轨车辆直流牵引供电系统的结构及电气
原理。 5、能熟练分析城轨车辆的直流牵引传动系统主电
路的电气原理。 6、能熟练使用相关仪器、设备对城轨车辆直流牵
引传动系统进行维护、简单调试及常见故障分析 与检修。
【项目导入】
早期的城轨车辆，由于交流变频调速技术的不成熟，大多采用直流牵引 传动。图2-1是城轨车辆直流牵引传动系统示意图。采用直流750V与 1500V供电制式，第三轨或者接触网受流，第三轨一般采用750V供电， 接触网采用750V与1500V。电源引入城轨车辆后，经过滤波、电阻调速、 斩波调速（包括斩波调阻、斩波调压）得到大小可调的直流供给直流牵引 电动机，从而控制直流牵引电动机的转速，实现对城轨车辆速度的控制与 调速。
四种典型全控型器件比较(汇编)
四种典型全控型器件的比较四种典型全控型器件的比较一、 对四种典型全控型器件的介绍1、门极可关断晶闸管(GTO ) 1）GTO 的结构与工作原理芯片的实际图形 GTO 结构的纵断面 GTO 结构的纵断面 图形符号GTO 的内部结构和电气图形符号2）工作原理：设计α2较大，使晶体管V2控 制灵敏。
导通时α1+α 2= 1.05更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。
多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。
下图为工作原理图。
2222R NPNPNPA G SK E GI G E AI K I c2I c1I A V 1V 2b)2、电力晶体管(GTR) 1）电力晶体管的结构：内部结构电气图形符号NPN型电力晶体管的内部结构及电气图形符号2）工作原理：在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。
晶体管通常连接成共发射极电路，GTR通常工作在正偏(I b＞0)时大电流导通；反偏(I b＜0)时处于截止状态。
因此，给GTR的基吸施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。
3、电力场效应晶体管(Power MOSFET)1）电力MOSFET的结构MOSFET元组成剖面图图形符号电力MOSFET采取两次扩散工艺，并将漏极D移到芯片的另一侧表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和提高电流密度。
2)电力MOSFET的工作原理：当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源极之间电压为零或为负时，P型区和N-型漂移区之间的PN结反向，漏源极之间无电流流过。
如果在栅极和源极间加正向电压U GS，由于栅极是绝缘的，不会有电流。
但栅极的正电压所形成的电场的感应作用却会将其下面的P 型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P型区表面。
当u GS大于某一电压值U GS(th)时，栅极下面的P型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型反型成N型，沟通了漏极和源极。
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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。
对门极关断电路的要求：GTO对作为关断脉冲的负向门极电流有很高的要求。
负向门极电流的幅值，斜率直接影响到元件的元断能力、关断时间及关断损耗。
要求门极关断回路有足够大的动力源, 回路阻抗和感抗非常小，用作门极关断回路的开关元件要有很小的内阻, 较宽的频带和较好的承受冲击电流的能力。
3．GTO的普通驱动电路
下图1为普通的GTO驱动电路原理图。
当输入信号为正脉冲时，光耦合器B导通，三极管V1截止，V2和V3导通，电源E1经R7、V3及C3(R8)触发GTO 导通。
当输入信号为零脉冲时，光耦合器B截止，V1导通，V2和V3截止。
关断电路中的V4导通，V5截止，晶闸管VT经R13和R14获得触发信号并导通，电源E2经VT、GTO、R8、R15形成门极负电流使GTO关断。
电路中C1到C5为加速电容。
图1 门极可关断晶闸管驱动电路
应用这种电路驱动GTO时，容易造成大容量晶闸管内部数个并联的小晶闸管开通过程中先是局部几个单元开通，然后等离子体在整个芯片内向边沿扩展。
最初较高的电流上升率可能使最先导通的区域过载而导致器件损坏，因此必须采用较大的抑制电感来抑制电流上升率。
同时，为了获得合理的关断增益，对于GTO 晶闸管响应时间来说只能施加较小的门极电流，从而导致存储时间过长(20us)，造成关断不同步，du/ dt耐量低, 并需要体积庞大的吸收电容。
因此，这种电路的最高开关频率一般限制在300—500Hz。
下面介绍新型的“硬驱动门极驱动技术”。
4.“硬驱动”门极驱动技术
所谓GTO晶闸管的“硬驱动”是指在GTO在关断过程中的短时间内，给其内阴极加以上升率di/dt及幅值都很大的驱动信号。
图2是硬驱动门极单元的典型电路。
它可分成两部分，上部分电路控制开通过程，下部分电路控制关断过程, 且两部分独立工作。
电路设计时应使其电感最小值化，LG为杂散电感。
其工作
S放电，在约250ns内产生1000A 过程分析如下：在开通期间，电容通过开关10
S由5V电源的硬驱动门极电流。
门极电流通过二极管维持在高水平，然后通过11
维持。
在较大门极电流脉冲作用下，GTO晶闸管等效原理电路中N-P-N晶体管开通，N发射区注入电子，并输送到N基区，产生相应空穴注入。
空穴电荷区
开始崩缩，阴极电压在100 ns内下降到V A< 200V。
此时，主电流仍很小，这就
S吸收数千意味着晶体管作用强于晶闸管作用。
在关断期间，电容C2通过开关20
S用来维持器安培的大电流脉冲，电流脉冲的上升时间约为1.5us。
另外，开关21
件的阻断状态。
图2 新型“硬驱动”门极单元简图
5.小结
GTO 晶闸管既具有普通晶闸管的优点，同时又具有GTR 的优点，是目前应用于高压、大容量场合中的一种大功率开关器件，设计与选择性能优良的门极驱动电路对保证GTO 的正常工作和性能优化是至关重要的，特别是门极关断技术应特别重视，它是正确使用GTO 的关键。